BR122020015755B1 - Conjunto de motor para uma aeronave, e, método de resfriamento de um motor - Google Patents

Abstract

Um conjunto de motor (10) para uma aeronave acionada por hélice é descrita, o conjunto incluindo um motor (11), um eixo cardã (13) acionado pelo motor (11), e um radiador (20) compreendendo um orifício (24) para receber o eixo cardã (13), o orifício (24) sendo localizado de modo que o radiador (20) substancialmente circunde circunferencialmente o eixo cardã (13). O orifício (24) pode tomar várias formas, tal como um furo dentro do radiador (20) ou uma fenda cega formada dentro do radiador (20).

Description

Campo técnico

[001] Esta invenção refere-se a resfriamento de motores de combustão interna, e particularmente, mas não exclusivamente, a um radiador para resfriar um motor de combustão interna dentro de uma aeronave de hélice.

Antecedentes

[002] Motores de combustão interna são amplamente utilizados em praticamente todos os tipos de veículos motorizados, incluindo automóveis, motocicletas, barcos e aeronaves. Um grande problema com motores de combustão interna é a geração de calor residual, que deve ser transferido de forma eficiente a do motor para a circunvizinhança, de modo a evitar a falha do motor relacionada com o calor, tal como fracionamento, deformação ou degradação do óleo de lubrificação do motor.

[003] Existem duas técnicas de resfriamento do motor comuns: resfriamento por ar e resfriamento por líquido. Enquanto o resfriamento por ar era popular durante o início de motores de combustão, já não é mais amplamente utilizado; o resfriamento por líquido é agora a técnica de resfriamento favorita para a maioria dos motores de combustão.

[004] O resfriamento de ar de envolve direcionar o ar, tipicamente a uma velocidade elevada, em torno do bloco de cilindros ou do cilindro do motor. Aletas ou outras formações são tipicamente proporcionadas na superfície externa do cilindro ou do bloco de cilindros a fim de aumentar a área de superfície e, portanto, intensificar a transferência de calor.

[005] No resfriamento por líquido, a transferência de calor do motor para as circunvizinhanças é por meio de um circuito de resfriamento por líquido intermediário. Um refrigerante líquido é passado através de passagens de fluido definidas dentro ou em torno do cilindro ou do bloco de cilindros do motor, após isso o calor gerado durante o processo de combustão é transferido para o refrigerante. O refrigerante é então passado para um trocador de calor, comumente conhecido como um radiador, tendo uma grande área de superfície exposta às circunvizinhanças. À medida que o refrigerante circula através do radiador, o calor é transferido do refrigerante líquido para a circunvizinhança. O refrigerante frio subsequentemente sai do radiador e é retroalimentado para o cilindro ou para o bloco de cilindros do motor para repetir o processo. Alternativamente, em circuito aberto, o fluido de resfriamento que sai do radiador pode ser descartado do, e o fluido de resfriamento fresco alimentado ao, cilindro ou bloco de cilindros do motor.

[006] Em geral, o refrigerante líquido utilizado nos dispositivos de resfriamento por líquido é à base de água, mas pode compreender outros agentes tais como inibidores de corrosão e/ou anticongelante.

[007] Uma técnica de resfriamento similar ao resfriamento por líquido acima descrita pode também ser empregada em relação ao óleo de lubrificação do motor. O resfriamento do óleo de lubrificação do motor é comumente conhecido como "resfriamento por óleo" e compreende a passagem do óleo do motor do motor para o seu próprio radiador dedicado e subsequentemente o retorno do óleo para o motor. O resfriamento do óleo é geralmente utilizado em conjunto com uma das técnicas de resfriamento por ar e resfriamento por líquido acima descritas, isto é, o óleo do motor não é tipicamente o refrigerante principal.

[008] Para que o resfriamento por líquido e o resfriamento por óleo constituir técnicas de resfriamento do motor eficazes, deve haver eficiente transferência de calor do radiador para as circunvizinhanças. Na prática, isto é conseguido proporcionando o radiador com uma matriz de aletas ou outras formações de modo a aumentar a área de superfície das mesmas, e por meio da geração de um fluxo de ar de alta velocidade em torno e/ou pelo radiador.

[009] Uma técnica conhecida para gerar um fluxo de ar em torno ou através de um radiador é contar com pressão do ar dinâmica proporcionada pelo movimento para a frente do veículo. Em tais arranjos, as admissões de ar são proporcionadas na frente do veículo e o ar recebido através destas admissões é direcionado ao radiador. No entanto, um problema com este arranjo é que o fluxo de ar de resfriamento é gerado apenas quando o veículo está em movimento. Isso pode levar ao superaquecimento do motor quando o motor está operacional, mas o veículo está parado, por exemplo, quando uma aeronave está no solo, pronta para a decolagem.

[0010] É também conhecido direcionar ar para o radiador através de um ou mais ventiladores. A potência necessária para operar os ventiladores deve, no entanto, ser proporcionada pelo motor, aumentando desse modo a carga total do motor e, por conseguinte, contribuindo para o aquecimento do motor. Em vista do fato de que os ventiladores são proporcionados com o único propósito de resfriar o motor, o efeito colateral do aquecimento do motor representa uma falha considerável em um arranjo de resfriamento do motor com base no ventilador.

Definições

[0011] O termo "radiador" é aqui usado para incluir qualquer forma de trocador de calor e não é restrito a um modo ou uma forma particular de transferência de calor. Por exemplo, os trocadores de calor utilizados em sistemas de resfriamento de motores conhecidos são abrangidos pelo termo "radiador", apesar do fato de que a transferência de calor é predominantemente através de convecção e de condução, em oposição à irradiação.

[0012] O termo "orifício" é utilizado aqui para incluir um furo, uma ranhura, um interstício, uma fenda, um entalhe ou qualquer outra forma de abertura.

Declaração da invenção

[0013] De acordo com a presente invenção, como visto de um primeiro aspecto, proporciona-se um conjunto de motor para uma aeronave, o conjunto compreendendo: um motor de combustão interna; um eixo cardan configurado para ser acionado pelo motor; um radiador que compreende um orifício através do qual o eixo cardan é recebido, sendo o orifício localizado de tal modo que o radiador substancialmente circunferencialmente circunde o eixo cardan.

[0014] Uma vantagem da presente invenção é que a distância entre o radiador e o motor é reduzida em comparação com os conjuntos de motor conhecidos. Por conseguinte, as linhas de fluido entre o motor e o radiador são curtas e diretas, se tais linhas forem de todo necessárias. Isto proporciona os benefícios de custo reduzido, peso reduzido, uma instalação simplificada e um risco reduzido de vazamentos.

[0015] Preferencialmente, o radiador circunferencialmente circunda, pelo menos, 70% do eixo cardan. Em outras palavras, uma linha radial desenhada a partir do eixo geométrico longitudinal do eixo cardan intersecta o radiador por pelo menos 70% da faixa angular de azimutal possível de 360 graus.

[0016] Mais preferencialmente, o radiador circunferencialmente circunda pelo menos 90% do eixo cardan. Ainda mais preferencialmente, o radiador circunferencialmente circunda 100% do eixo cardan.

[0017] O radiador pode ser arranjado para resfriar um fluido refrigerante que foi aquecido pelo motor antes de passar para o radiador. Nesta forma de realização, o conjunto de motor pode compreender uma ou mais passagem(ns) de fluido dentro ou próxima(s) ao motor, as passagens de fluido sendo acopladas fluidicamente com o radiador de modo que o fluido refrigerante passe das passagens de fluido para o radiador.

[0018] Alternativamente, o radiador pode ser arranjado para resfriar o óleo lubrificante do motor que é passado para o radiador do motor.

[0019] O orifício compreende preferencialmente um furo localizado dentro de um interior do radiador de modo que o radiador circunde circunferencialmente o eixo cardan. Preferencialmente, o radiador é substancialmente anular, o orifício preferencialmente definindo o centro da coroa circular.

[0020] Alternativamente, o orifício pode compreender uma fenda cega que se estende de uma borda periférica externa do radiador para um interior do radiador. Preferencialmente, o radiador é substancialmente circular em seção transversal, a fenda preferencialmente se estendendo radialmente de uma borda periférica externa do radiador para um ponto central do radiador.

[0021] Alternativamente, o orifício pode compreender um interstício que se estende de uma borda periférica externa do radiador para uma borda periférica externa oposta do radiador de modo que a orifício separa o radiador em duas porções desconectadas. Preferencialmente, cada porção do radiador é substancialmente semicircular em seção transversal.

[0022] O eixo cardan pode ser acoplado a um eixo de manivela do motor. Alternativamente, o eixo da hélice pode ser recebido em um rotor de um motor rotativo tal como um motor Wankel.

[0023] O eixo cardan é preferivelmente arranjado para rodar uma hélice. Preferencialmente, uma extremidade proximal do eixo cardan é acoplada ao motor e uma extremidade distal do eixo cardan é acoplada à hélice. Vantajosamente, o local do radiador entre o motor e a hélice proporciona uma instalação compacta e de pouco peso. Além disso, a ação de rotação da hélice auxilia o fluxo de ar em torno e/ou através do radiador. Verificou-se que o fluxo de ar proporcionado pela rotação da hélice é maior do que a que pode ser conseguida por depender da pressão do ar dinâmica que é proporcionada pelo movimento para a frente do veículo aéreo. Além disso, a hélice gera um fluxo de ar, mesmo quando o motor está funcionando enquanto a aeronave se encontra estacionária no solo.

[0024] O radiador pode compreender uma primeira superfície substancialmente plana arranjada de modo a estender-se em um plano substancialmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do eixo cardan de tal modo que a normal para a superfície é substancialmente paralela ao eixo geométrico longitudinal do eixo cardan. O radiador pode compreender ainda uma segunda superfície substancialmente plana arranjada para se estender em um plano substancialmente perpendicular ao eixo geométrico longitudinal do eixo cardan.

[0025] A primeira superfície é preferencialmente próxima à hélice e a segunda superfície é preferencialmente próxima ao motor quando o eixo cardan é recebido no orifício do radiador.

[0026] Preferencialmente, as primeira e a segunda superfícies são substancialmente circulares.

[0027] O radiador pode compreender orifícios adicionais para permitir que o ar passe através dos mesmos. Uma vantagem deste arranjo é que a área de superfície do radiador é aumentada em virtude dos orifícios, melhorando assim a eficiência de resfriamento do radiador.

[0028] O radiador pode compreender um membro de suporte substancialmente plano, que contacta, de um modo preferido, a segunda superfície do radiador. Prevê-se que um membro de suporte plano será particularmente adequado para formas de realização nas quais o orifício compreende uma fenda cega ou um interstício. Nestas formas de realização, o membro de suporte é preferencialmente localizado pelo menos nos locais circunferenciais não abrangidos pelo radiador. Em certas formas de realização, o membro de suporte pode ser alongado e arranjado para cobrir uma porção externa da fenda cega ou ambas as porções externas do interstício, deixando apenas um furo central através do qual o eixo cardan pode ser recebido. Em uma forma de realização alternativa, o membro de suporte pode ter dimensões externas substancialmente idênticas para a segunda superfície do radiador de tal modo que o membro de suporte se estende para a periferia do radiador, o membro de suporte preferencialmente compreende um furo localizado dentro de um interior do membro de suporte através do qual o eixo de acionamento é recebido.

[0029] Os orifícios adicionais podem se estender longitudinalmente através do radiador entre as primeira e segunda superfícies, cada orifício definindo assim uma passagem alongada. A passagem alongada pode compreender uma porção restrita a uma posição substancialmente longitudinalmente central. Uma vantagem de proporcionar uma porção restrita é que a velocidade do ar é aumentada na referida porção, melhorando assim a eficiência de resfriamento do radiador. Pensa-se que este efeito será particularmente notório quando o radiador está localizado atrás as pás da hélice e, por conseguinte, recebe o ar que tenha sido acelerado pela ação rotativa das pás da hélice.

[0030] Em uma forma de realização, o radiador é formado por uma pluralidade de elementos tubulares alongados substancialmente paralelos arranjados para transportar o fluido de resfriamento, as passagens de ar que está sendo definidas entre os elementos adjacentes.

[0031] O membro de suporte pode compreender orifícios em localizações correspondentes às localizações dos orifícios adicionais proporcionados no radiador, permitindo assim que o ar passe através do radiador e do membro de suporte e, por conseguinte, proporcionar um resfriamento eficaz do radiador.

[0032] Preferencialmente, o radiador compreende uma cobertura, a cobertura preferencialmente compreendendo uma parede lateral tubular tendo um eixo geométrico longitudinal substancialmente paralelo ao eixo geométrico longitudinal do eixo cardan. Mais preferivelmente, o eixo geométrico longitudinal da parede lateral tubular da cobertura é colinear com o eixo geométrico longitudinal do eixo cardan. A cobertura é preferencialmente arranjada para circunferencialmente circundar o eixo cardan e pelo menos uma porção interna do radiador.

[0033] A parede lateral tubular da cobertura é preferencialmente vertical a partir da primeira superfície do radiador. Mais preferencialmente, a parede lateral tubular da cobertura é vertical a partir de uma borda periférica externa da primeira superfície do radiador.

[0034] A cobertura pode ser substancialmente cilíndrica. Alternativamente, a parede lateral tubular da cobertura pode alargar para fora, por exemplo, a cobertura pode ser troncocônica.

[0035] Uma admissão de ar para o motor pode ser proporcionada próxima a uma borda periférica do radiador.

[0036] De acordo com a presente invenção, como visto a partir de um segundo aspecto, é proporcionado um aquecedor para uma aeronave, o radiador compreendendo: um orifício para receber um eixo cardan, o orifício sendo localizado de modo que o radiador substancialmente circunde circunferencialmente o eixo cardan quando o eixo cardan é recebido no orifício; e, uma cobertura que se estende longitudinalmente compreendendo uma parede lateral tubular arranjada para circunferencialmente circundar o eixo cardan quando o eixo cardan é recebido no orifício.

[0037] O orifício e/ou a cobertura pode ser como aqui descrito anteriormente.

[0038] De acordo com a presente invenção, como visto a partir de um terceiro aspecto, é proporcionado um método de resfriamento de um motor arranjado para acionar uma hélice, o método compreendendo: instalar um radiador tal como aqui anteriormente descrito de tal modo que o radiador substancialmente circunferencialmente circunde um eixo cardan do motor; conectar fluidicamente o radiador de modo que o radiador receba fluido que foi aquecido pelo motor.

[0039] Uma forma de realização da presente invenção será agora descrita apenas por meio de exemplo e com referência aos desenhos anexos, nos quais: A Figura 1(a) é uma vista lateral de um conjunto de motor de acordo com uma forma de realização da presente invenção; Figura 1(b) é uma vista em perspectiva do conjunto de motor da figura 1(a); A Figura 2 é uma vista em perspectiva explodida do conjunto de radiador do motor ilustrado nas Figuras 1 (a) e 1 (b); A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma forma de realização alternativa de um radiador adequado para utilização no conjunto de motor ilustrado nas figuras 1 (a) e 1 (b); e, A Figura 4 é um diagrama de fluxo de um método de resfriamento de um motor arranjado para acionar uma hélice de acordo com uma forma de realização da presente invenção.

[0040] Fazendo referência às Figuras 1(a), 1(b) e 2 dos desenhos, está ilustrado um conjunto de motor 10. O conjunto de motor forma parte de uma aeronave com hélice 10 (não mostrada). Prevê-se que o conjunto de motor 10 será alojado dentro de uma carenagem (não mostrada) e localiza- se na direção da frente da aeronave.

[0041] O conjunto 10 inclui um motor de combustão interna 11. O motor 11 é abastecido com ar e o combustível para a combustão através de um duto de admissão de ar 12 e um injetor de combustível, respectivamente. O duto de admissão de ar 12 é arranjado para receber ar da frente da aeronave através de um orifício de admissão de ar formado na carenagem do motor.

[0042] O motor 11 é arranjado para rodar um eixo cardan 13. Prevê-se que o motor 11 será um motor Wankel, no caso em que uma extremidade proximal do eixo cardan 13 será localizada no interior do rotor do motor 11. Uma extremidade distal do eixo cardan 13 é acoplada a uma hélice (não representada) localizada no nariz da aeronave.

[0043] O conjunto 10 inclui ainda um circuito de resfriamento do motor para circular o fluido de resfriamento em torno do motor 11. O circuito de resfriamento compreende uma bomba (não mostrada) e uma série de condutos (não mostrados) definidos no interior ou em torno do motor 11. O circuito de resfriamento compreende adicionalmente um radiador 20 montado diretamente sobre o corpo principal do motor 11. A posição do radiador 20 próxima ao motor 11 minimiza a distância total que tem de ser coberta pelo circuito de resfriamento e consequentemente proporciona um custo reduzido, um peso reduzido, uma instalação simplificada e um risco reduzido de vazamentos. O radiador 20 é proporcionado com uma entrada 21 para receber o fluido de resfriamento a partir dos condutos definidos no interior ou em torno do bloco de cilindros do motor. O radiador é também proporcionado de uma saída 22 para a passagem do fluido de resfriamento que foi resfriado pelo radiador para um componente a jusante no circuito de resfriamento do motor. Em certas formas de realização, o fluido de resfriamento que sai da saída de radiador 22 é retornado imediatamente aos condutos definidos no interior ou em torno do motor 11 para a absorção de calor gerado pelo motor 11.

[0044] O radiador 20 é formado de uma pluralidade de elementos tubulares alongados espaçados 23 arranjados para transportar fluido de resfriamento. Em conjunto, a pluralidade de elementos tubulares 23 proporciona o radiador 20 com uma forma substancialmente cilíndrica, o raio do radiador 20 sendo substancialmente maior do que o comprimento longitudinal do radiador 20. Os primeiro e segundo distribuidores (não mostrados) são proporcionados nas respectivas extremidades dos elementos tubulares alongados 23. Em utilização, o fluido de resfriamento que entra no radiador 20 na entrada de fluido 22 é dividido no primeiro distribuidor entre cada um dos elementos tubulares 23. O fluido de resfriamento, em seguida, passa através dos elementos tubulares 23 e é recombinado no segundo distribuidor para passagem subsequente para fora do radiador 20. A estrutura descrita acima de elementos tubulares espaçados 23 proporciona o radiador 20 com uma área de superfície grande e, portanto, facilita o resfriamento eficiente do mesmo. Além disso, os espaços alongados entre os elementos tubulares 23 definem passagens de ar através do radiador 20, permitindo assim que o ar escoe através do radiador 20 e consequentemente intensifique a eficiência do resfriamento do mesmo.

[0045] Um orifício 24 é formado no radiador 20, através do qual estende-se o eixo cardan 13 do conjunto de motor. A localização do orifício 24 no centro do radiador 20 permite o radiador 20 circunferencialmente circundar o eixo cardan 13. As dimensões do orifício 24 são de modo que o eixo cardan 13 encaixe no interior do orifício 24 sem fazer contato com o mesmo, mas deixando espaço livre mínimo entre os mesmos. Na forma de realização ilustrada, o orifício 24 é um quadrado tendo um comprimento lateral marginalmente maior do que o diâmetro do eixo cardan 13. Em uma forma de realização ilustrada (não mostrada), o orifício pode ser circular e compreender um diâmetro marginalmente maior do que o diâmetro de o eixo cardan 13.

[0046] Em certas formas de realização, o radiador pode ser proporcionado com uma cobertura que se estende longitudinalmente 25, tal como ilustrado na figura 3. A cobertura 25 consiste de uma parede lateral tubular que se estende da borda periférica do radiador 20. A parede lateral tubular da cobertura 25 constitui assim uma extensão da parede lateral do radiador 20. O eixo geométrico longitudinal da parede lateral tubular da cobertura 25 é coaxial com o eixo geométrico longitudinal do eixo cardan (não mostrado na figura 3) de tal modo que a cobertura 25 circunferencialmente circunde o eixo cardan. Quando a hélice (não representada) é conectada ao eixo cardan, a extremidade da parede lateral tubular da cobertura distal ao radiador 20 é adjacente ao lado traseiro das pás da hélice e marginalmente espaçada das mesmas. Verificou-se que uma cobertura como esta intensifica o fluxo de ar através do radiador 20 e, portanto, melhora a eficiência de resfriamento do motor.

[0047] Será apreciado que é possível a montagem de um radiador 20, como descrito acima, para um conjunto de motor existente. Com referência à figura 4, a montagem do radiador 20 compreende instalar o radiador 20 em torno do eixo cardan 13 na etapa 101. Prevê-se que o radiador 20 será instalado na posição ilustrada nas Figuras 1(a) e 1(b). O circuito de resfriamento do motor é então totalmente conectado na etapa 102. Particularmente, os condutos de fluido formados dentro do motor 11 são conectados ao radiador 20.

[0048] Uma vez que o radiador 20 é instalado e operacional é, a bomba do circuito de resfriamento do motor bombeia o fluido de resfriamento para dentro dos condutos definidos no, e em torno do, motor 11, após o fluido de resfriamento absorver calor do motor 11 e, portanto, resfriar o motor 11. O fluido de resfriamento a partir dos condutos é então passado para a entrada 21 do radiador 20 e canalizado através dos elementos tubulares alongados 23 do radiador 20. A relação da área de superfície grande para o volume de cada um dos elementos tubulares 23 proporciona um resfriamento eficaz do fluido refrigerante, que é então passado para fora do radiador 20 através da saída de fluido 22.

[0049] A eficiência de resfriamento proporcionado pelo radiador 20 pode ser grandemente intensificada pela energização da hélice. Particularmente, a localização do radiador 20 a jusante da hélice permite a exploração do fluxo de ar de alta velocidade gerado pela hélice.

Claims (8)

1. Conjunto (10) de motor para uma aeronave, compreendendo um motor (11); um eixo cardan (13) configurado para ser acionado pelo motor (11); um radiador (20) compreendendo um orifício (24) através do qual o eixo cardan (13) é recebido, o orifício (24) sendo localizado de tal modo que o radiador (20) circunferencialmente envolve o eixo cardan (13), caracterizado pelo fato de que o radiador (20) é circular na seção transversal e o orifício (24) compreende uma fenda cega que se estende a partir de uma borda periférica externa radial do radiador (20) para o ponto central do radiador (20); e em que o radiador (20) compreende adicionalmente um membro de suporte plano arranjado para estar em contato com uma superfície do radiador (20) próximo ao motor (11), o membro de suporte compreendendo um orifício dentro do mesmo, através do qual, o eixo cardan (13) é recebido.

2. Conjunto (10) de motor de acordo com a das reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o radiador é arranjado para circunferencialmente envolver pelo menos 90% do eixo cardan (13).

3. Conjunto (10) de motor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o eixo cardan é arranjado para girar uma hélice.

4. Conjunto (10) de motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o radiador (20) compreende orifícios (24) adicionais para permitir que o ar passe através dos mesmos.

5. Conjunto (10) de motor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o radiador (20) compreende ainda uma cobertura (25) que se estende longitudinalmente, a cobertura (25) compreendendo uma parede lateral tubular arranjada para circunferencialmente envolver o eixo cardan (13).

6. Conjunto de motor de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a parede lateral tubular da cobertura (25) é localizada em uma borda periférica do radiador (20).

7. Conjunto (10) de motor de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a cobertura (25) é localizada em um lado do radiador (20) distal ao motor (11).

8. Método de resfriamento de um motor (11) arranjado para acionar uma hélice, o método compreendendo: instalar um radiador (20) compreendendo um orifício (24) para receber um eixo cardan (13), caracterizado pelo fato de que o radiador (20) é circular na seção transversal e o orifício (24) compreende uma fenda cega que se estende a partir de uma borda periférica externa radial do radiador (20) para um ponto central do radiador (20), o radiador (20) compreendendo adicionalmente um membro de suporte plano arranjado para estar em contato com uma superfície do radiador (20), próximo ao motor (11), o membro de suporte compreendendo um orifício dentro do mesmo, através do qual, o eixo cardan (13) é recebido, o radiador (20) sendo instalado de modo que o radiador (20) circunferencialmente envolve o eixo cardan (13); conectar fluidamente o radiador (20) de modo que o radiador (20) receba fluido que foi aquecido pelo motor (11).

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