BRPI0713796A2

BRPI0713796A2 - turborreator para aeronave

Info

Publication number: BRPI0713796A2
Application number: BRPI0713796-6A
Authority: BR
Inventors: Guillaume Bulin; Patrick Oberle
Original assignee: Airbus France
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2012-11-06
Also published as: JP5069746B2; CA2655424A1; RU2436988C2; CN101479455A; FR2902830B1; RU2009102528A; WO2008000994A1; CA2655424C; JP2009541657A; US8739516B2; FR2902830A1; US20090301057A1; EP2032822B1; EP2032822A1; CN101479455B

Abstract

TURBORREATOR PARA AERONAVE. A invenção refere-se A um turborreator (100) para aeronave que comporta um motor (103) alojado em uma nacele (101) e um trocador térmico (107) destinado a resfriar um fluido que participa no sistema propulsivo do motor. O trocador térmico está disposto ao nível da parede externa (105) do motor, um espaço intersticial no qual o ar pode circular sendo colocado entre a parede externa do motor e uma parede inferior (112) do trocador térmico. A invenção refere-se igualmente a uma aeronave munida de pelo menos um turborreator.

Description

TURBORREATOR PARA AERONAVE

A invenção refere-se a um turborreator para aeronave. Mais precisamente a invenção refere-se a um trocador térmico, igualmente chamado de trocador de superfície, alojado em um turborreator. O trocador térmico de acordo com a invenção, por exemplo, é destinado a resfriar um fluido do sistema propulsivo do turborreator, tal como óleo, assim que possa ser reinjetado no referido sistema propulsivo pelo menos parcialmente resfriado. A invenção refere-se igualmente à uma aeronave que comporta pelo menos um turborreator similar.

De uma maneira geral, o trocador térmico de acordo com a invenção serve às aplicações desde que seja necessário resfriar um fluido destinado à circular na ou pela periferia de um turborreator.

No domínio da aviação civil, é conhecido utilizar um trocador térmico anexo para resfriar o óleo que circula no motor do turborreator. O óleo quente é conduzido ao trocador térmico para ser resfriado antes de ser reutilizado no sistema propulsivo.

Sobre a figura 1 do estado da técnica é representado, em corte, um turborreator 1, bem como dois trocadores térmicos 2 e 12 do estado da técnica.

O turborreator 1 comporta uma nacele 2 na qual está alojado um motor 3. O motor 3 é fixado à uma parede interna 4 da nacele 2 por intermédio de bifurcações de ar 5.

No estado da técnica, existem geralmente dois posicionamentos possíveis para o trocador térmico. De fato, o trocador térmico pode ser posicionado ao nível do corpo do motor 3, ou ao nível da nacele 2. Quando o trocador térmico 6 é montado ao nível do corpo do motor 3, é mais precisamente alojado em um volume interno 7 colocado entre um capô de motor 8 que cerca pelo menos parcialmente o motor 3, e o próprio motor 3. Uma entrada de ar 9 capta o ar frio no fluxo de ar frio atravessando o turborreator 1, para conduzi-lo ao interior do trocador térmico 6. 0 ar frio atravessa a matriz do trocador térmico, no qual circula o óleo quente a resfriar. Os dois fluidos são separados um do outro por barreiras, e não se misturam. A troca calorífica faz-se ao interior da matriz. 0 ar parcialmente aquecido sai do trocador térmico 6, por uma saída de ar 10, para ser reinjetado no fluxo de ar secundário saindo da nacele.

No caso onde o trocador térmico 12 é posicionado ao nível da nacele 2, é mais precisamente alojado no volume interno da referida nacele 2. Uma entrada de ar 13 capta ar frio no fluxo de ar frio atravessando o turborreator 1, para conduzi-lo ao interior do referido trocador térmico 12. Após ter atravessado a matriz do trocador térmico 12, esta vazão de ar é ejectada ao exterior da nacele 2 por uma saída de ar 14, ou reintroduzida no escoamento interno do motor por uma saída de ar específica (não representada).

Tais trocadores térmicos não se revelam como sendo uma solução ótima em termos de rendimento propulsivo e de impacto aerodinâmico sobre o motor, e por várias razões. No caso onde o ar transversal a matriz do trocador é expulso ao exterior do escoamento interno do motor, isto é, no caso de uma montagem na nacele com saída de ar para o exterior, a captação de ar constitui uma perda direta de rendimento propulsivo na medida em que não contribui ou contribui pouco para o impulso do motor. No caso onde o ar transversal a matriz do trocador térmico é reintroduzido no escoamento interno do motor, por causa de uma montagem no corpo do motor, a matriz do trocador térmico induz pela sua arquitetura interna uma forte perda de carga no escoamento e tende a perturbar de maneira mais ou menos significativa o escoamento aerodinâmico a jusante do motor. Além disso, a presença de uma entrada de ar, de um ou vários condutos internos, bem como de uma saída de ar que gera perdas de carga e perturba de maneira mais ou menos significativa o escoamento interno do motor.

Uma outra solução conhecida é utilizar um trocador com placas. Conhece-se especialmente um trocador com placas casando localmente com a forma da parede interna 4 da nacele 2 a qual é unida. Uma face superior do trocador térmico é unida a parede interna 4 da nacele, até que uma face inferior é situada no fluxo de ar frio transversal o volume interno da nacele 2. O calor transportado no trocador é transferido por condução térmica à superfície interna da placa que forma a face inferior do referido trocador térmico. Essa placa quente é lambido pelo fluxo de ar frio se escoando na nacele 2. O calor armazenado na placa quente é assim dissipado por convecção forçada para o escoamento aerodinâmico do turborreator 1.

Um inconveniente desse segundo modo de realização de um trocador térmico do estado da técnica que é incompatível com os sistemas atuais de redução das poluições sonoras saindo do turborreator. De fato, para reduzir essas poluições sonoras, é conhecido cobrir pelo menos parcialmente a parede interna 4 da nacele 2 de um revestimento acústico 11. Mais geralmente, esse revestimento acústico 11 recobre as paredes internas e externas da nacele 2 e do capô do motor 8 dado que duas dessas paredes estão em frente uma da outra. A presença desse revestimento acústico 11 é incompatível com a aderência do trocador térmico com placas sobre a parede interna 4 da nacele 2. Seria necessário, para utilizar tal trocador térmico com placas, suprimir localmente o revestimento acústico 11, o que se prova difícil perante os critérios de dimensionamento relativos às poluições sonoras.

Na invenção, procura-se fornecer uma alternativa a colocação atual dos trocadores térmicos destinados ã resfriar um fluido transversal o referido trocador térmico por contato com um escoamento gasoso tangencial.

Para isso, a invenção propõe dispor o trocador térmico não mais ao nível de uma parede fria da nacele, ao nível da qual pode existir um revestimento acústico, mas ao nível de uma parede do motor ou da nacele desprovida de tal revestimento acústico. Sendo dada a configuração atual dos turborreatores, sozinha a porção de parede externa do motor que é situada à jusante da nacele, isto é, ao nível da tubulação do referido motor, é suscetível de receber o trocador térmico de acordo com a invenção. Essa porção de parede externa situada ao nível da boca de ejeção do fluxo de ar primário saindo do motor, é suscetível de sofrer as elevações de temperatura muito importantes.

Consequentemente, o risco é que a troca térmica não se faça a partir do fluido quente atravessando o trocador térmico para o ar frio lambendo o referido trocador térmico, mas a partir da parede quente do motor para o fluido menos quente atravessando o trocador térmico.

Na invenção, para evitar esta troca calorífica indesejável, mantendo ao mesmo tempo a posição vantajosa do trocador térmico ao nivel da tubulação do motor, propõe-se isolar termicamente o trocador térmico da parede quente sobre a qual é instalado. Para isso, coloca-se uma camada de ar termicamente isolante entre a parede externa quente do motor e na parede inferior do trocador térmico, de maneira a limitar as trocas de calor indesejáveis entre essas duas paredes. Por parede inferior, entende-se a parede do trocador dirigido para o motor, em oposição ã parede superior, dirigida para a parede interna da nacele. Essa camada isolante permite evitar um contato direto entre a parede quente do motor e a parede inferior do trocador térmico, criando uma resistência térmica elevada entre as duas paredes. Vantajosamente, a entrada e a saida de ar colocada ao nível da camada de ar isolante são tais que a vazão de ar é suficiente para evitar uma estagnação muito longa do ar no espaço colocado entre as duas paredes. De fato, se a vazão de ar é nulo ou insuficiente, a camada de ar isolante que estagna corre risco de ser aquecida pela parede quente do motor, e portanto, não mais poder desempenhar o seu papel de isolante térmico. Pode-se igualmente prever uma bolsa de ar, isto é, de ar estagnado no espaço colocado entre as duas paredes, essa bolsa de ar sendo renovada regularmente, por exemplo, pela abertura de uma válvula de saída do ar quente e abertura de uma válvula que permite a entrada de ar frio. Naturalmente, o trocador térmico de acordo com a invenção pode igualmente ser disposto a montante da tubulação, ou mesmo sobre a parede interna da nacele. A camada de ar isolante terá então uma função menor, mas não será prejudicial ao funcionamento do trocador.

A invenção tem então por objeto um turborreator para aeronave que comporta um motor alojado em uma nacele e um trocador térmico destinado a resfriar um fluido participando no sistema propulsivo do motor, caracterizado pelo fato que o trocador térmico está disposto ao nível da parede externa do motor, um espaço intersticial no qual o ar pode circular sendo colocado entre a parede externa do motor e uma parede inferior do trocador térmico. Por espaço intersticial, entende-se um espaço de volume reduzido, de maneira a minimizar a distância entre o trocador térmico e a parede quente do motor, assim especialmente não criar protuberância excessiva ao nível da superfície externa da parede do motor, que poderia gerar perturbações aerodinâmicas. 0 contorno externo do espaço intersticial de acordo com a invenção segue um contorno externo do trocador térmico que o isola.

0 trocador térmico pode ser um trocador de superfície, tal como um trocador com placas, munido de uma ou várias placas nas quais o fluido a resfriar circula, o ar resfriamento circula entre as placas. É igualmente possível que o trocador térmico comporte uma caixa transversal por uma tubulação na qual o fluido a resfriar circule, o ar de resfriamento circula ao redor da tubulação.

Preferencialmente, o trocador térmico de acordo com a invenção é disposto ao nível da extremidade traseira do motor, onde não existe nenhum revestimento acústico suscetível de cobrir a parede externa do referido motor.

De acordo com exemplos de realização do turborreator de acordo com a invenção, é possível prever a toda ou parte das características suplementares seguintes:

- O turborreator comporta meios de fixação do trocador térmico na parede externa do motor;

- os meios de fixação comportam pelo menos um espaçador. 0 ou os espaçadores podem ser verticais ou horizontais;

- o espaço intersticial forma uma bolsa de ar, na qual o ar está parcialmente estagnado. Por parcialmente estagnado, entende-se que o tempo de permanência na nacele do ar de resfriamento transitando pela bolsa de ar é superior ao tempo de permanência na nacele do ar frio atravessando o volume interno geral da nacele.

- a parede externa do motor comporta um espaço vazado no qual o trocador térmico é alojado, de maneira a se estender no prolongamento do motor. Suprime-se assim qualquer protuberância na superfície da parede externa do motor, suscetível de gerar perturbações aerodinâmicas.

- o trocador térmico é munido de uma entrada de ar, disposta a montante do corpo do trocador térmico, apta a conduzir o ar no espaço intersticial;

- a entrada de ar capta o ar no fluxo de ar secundário atravessando a nacele. Diferentemente, é possível captar o ar no volume de ar de ventilação colocado entre o corpo do motor e o capô do motor.

- o trocador térmico comporta uma saída de ar colocado à jusante do corpo do trocador térmico, apto a permitir o escoamento do ar circulando no espaço intersticial fora do referido espaço intersticial, preferencialmente no fluxo secundário transversal a nacele. É igualmente possível prever a reinjeção do fluxo de ar no volume de ar de ventilação.

A entrada e a saída de ar alimentando o espaço intersticial pode ser formada de uma simples fenda ou orifício. É igualmente possível munir as referidas entrada e saída de ar de meios de fechamento específicos, de maneira a regular a vontade a entrada e a saída de ar no referido espaço intersticial.

o trocador térmico é colocado sobre toda um perímetro circular externo do motor. É igualmente possível ter um trocador térmico de superfície pontual, isto é, recobrindo apenas uma parte limitada da superfície externa da parede quente do motor.

A invenção será melhor compreendida com a leitura da descrição que segue e com a analise das figuras que a acompanham. Essas são apresentadas a título indicativo e modo algum limitativo da invenção.

As figuras representam:

- Figura 1: um corte transversal de um turborreator munido de um trocador térmico do estado da técnica já descrito;

- Figura 2: uma representação esquemática explodida de um turborreator que comporta um trocador térmico de acordo com um exemplo de realização da invenção;

- Figuras 3A e 3B: duas representações esquemáticas, em corte transversal, do posicionamento do trocador térmico de acordo com a invenção sobre a parede externa do motor;

- Figuras 4A e 4B: duas ampliações da parede externa de um motor munido de dois exemplos de realização de trocadores térmicos de acordo com a invenção.

Sobre a figura 2 está representado um turborreator 100 munido de um trocador térmico 107 de acordo com a invenção.

O turborreator 100 comporta uma nacele 101 na qual um volume interno 102 recebe um motor 103. Como isso foi exposto na descrição da figura 1 do estado da técnica, a parede interna 104 da nacele 101 é geralmente recoberta de um tratamento acústico (não representado) , do mesmo modo que uma parte antes da parede externa 105 do motor 103, em relação à parede interna 104 da nacele 101. De maneira inversa, a extremidade traseira 106 do motor 103, não recoberta pela nacele 101, está desprovida de tal revestimento acústico. De acordo com a invenção, dispõe-se vantajosamente o trocador térmico 107 ao nível da extremidade traseira 106 do motor 103. Por anterior e traseiro, entende-se em relação ao sentido de escoamento do fluxo de ar secundário F atravessando a nacele.

Sobre as figuras 3A e 3B são representadas duas secções da parede externa 105 do motor 103 ao nível da extremidade traseira 106 munida do trocador térmico 107.

A parede externa 105 do motor 103 é oca de maneira a colocar um espaço vazado 108 recebendo o trocador térmico 107. Assim, a parede superior 110 do trocador térmico, dirigido para a parede interna 104 da nacele 102 é que aflora na superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103. O fluxo de ar secundário atravessando o volume interno 102 da nacele 101 não sofre perturbações aerodinâmicas devido à presença do trocador térmico 107.

O espaço intersticial 116 de acordo com a invenção é colocado no espaço vazado 108, e é delimitado pela parede inferior 112 do trocador térmico 107 e a superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103.

No exemplo representado na figura 3A, o trocador térmico 107 é formado, por exemplo, de uma caixa na qual circula o fluido a resfriar, tal como o óleo proveniente do sistema propulsivo do motor 103.

Na figura 3B é representado outra forma de trocador térmico 107. 0 contorno do espaço vazado 108 colocado entre a superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103 e a parede inferior 112 do trocador térmico 107 segue sensivelmente o contorno externo do referido trocador térmico 107. Vantajosamente, um gargalo de estrangulamento 113 é formado no espaço intersticial 116 correspondendo, de maneira reduzir a vazão de ar ao nível de uma saída de ar 114 colocado à jusante do trocador térmico 107. Por montante e jusante, entende-se em relação ao sentido do escoamento do fluxo de ar secundário F no volume interno 102 da nacele 101. Forma-se assim uma bolsa de ar na qual o ar formando a camada de ar isolante está parcialmente estagnado.

Em todos os casos, o espaço intersticial 116 está apto a ser atravessado por um fluxo de ar isolante f proveniente, por exemplo, do fluxo de ar secundário F circulando na nacele 101.

A entrada de ar 115 disposta a montante do trocador térmico 107 está orientada no sentido do escoamento do fluxo de ar secundário F de maneira a facilitar a entrada de ar no espaço intersticial 116.

Vantajosamente, a saída de ar 114 é uma abertura aerodinâmica, de maneira a limitar a resistência, e facilitar a saída de ar isolante f.

O trocador térmico 107 está, por exemplo, fixado na superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103 por espaçadores cujas dimensões são proporcionais às dimensões que se deseja dar ao referido espaço intersticial 116 .

Em um outro exemplo de realização, e como isso é representado sobre a figura 2, o trocador térmico 107 é diretamente colocado sobre a parede externa 105 do motor 103. De fato, a parede externa é oca de maneira a colocar uma fenda transversal entre uma primeira e uma segunda camadas da parede externa 105, as duas camadas permanecem localmente unidas uma a outro. Por fenda transversal, entende-se a que desemboca em dois pontos a montante e a jusante. O trocador térmico 107 é colocado na espessura da primeira camada, ou da camada superior.

Garante-se assim que não existe nenhum desnivelamento sobre a superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103, suscetível de criar perturbações aerodinâmicas.

No exemplo representado na figura 2, o trocador térmico 107 é colocado sobre todo um perímetro externo do motor 103. Naturalmente, é igualmente possível colocar o trocador térmico 107 sobre um perímetro externo parcial do referido motor 103.

Na figura 3B são representados os espaçadores verticais 117 que ligam a parede inferior 112 do trocador à superfície externa 111 da parede externa 105 do motor 103 . Por vertical, entende-se que os espaçadores se estendem radialmente a partir da parede do motor até o trocador térmico 107.

Sobre figura 4A e 4B, pode-se ver uma ampliação da parede externa 105 do motor 103, ao nível de um trocador térmico 107 de acordo com a invenção. A entrada de ar 115 sobre a figura 4A é simétrica a saída de ar 114. Mais precisamente, a entrada de ar 115 como a saída de ar 114 são formadas de uma fenda longitudinal, se estendendo por toda a largura do trocador térmico 107. Por largura, entende-se a dimensão se estendendo verticalmente em relação ao eixo longitudinal do turborreator.

Sobre a figura 4B, ao inverso, a entrada de ar 115 é pontual, isto é, colocado sobre uma largura parcial do trocador térmico 107. Assim, a vazão do fluxo de ar isolante f penetrando no espaço intersticial 116 é menos importante no exemplo representado na figura 4B que no exemplo representado na figura 4A.

Em todos os casos, o fluxo de ar isolante f transitando pelo espaço intersticial 116 está apto a manter uma isolação térmica entre a parede quente 105 do motor 103 e a parede inferior 112 do trocador térmico 107 de maneira a minimizar a troca de calor entre essas duas paredes.

O fluxo de ar isolante f saindo pela saída de ar 114, tal como representado na figura 2, mistura-se ao fluxo de ar secundário F saindo do volume interno da nacele e ao fluxo de ar primário F1 saindo da tubulação. A quantidade de ar captado ao nível do fluxo de ar secundário F para alimentar o espaço intersticial sendo relativamente fraco, não se perturba o escoamento aerodinâmico ao interior do volume interno 103 da nacele 101. Além disso, no caso onde o fluxo de ar é captado no volume de ventilação colocado entre o capô e o corpo do motor, não existe nenhuma perturbação aerodinâmica na nacele 101.

Claims

1. Turborreator (100) para aeronave que comporta um motor (103) alojado em uma nacele (101) e um trocador térmico (107) destinado a resfriar um fluido que participa no sistema propulsivo do motor, caracterizado pelo fato de que o trocador térmico está disposto ao nível da parede externa (105) do motor, um espaço intersticial (116) no qual o ar pode circular sendo colocado entre a parede externa do motor e uma parede inferior (112) do trocador térmico.

2. Turborreator, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que comporta meios de fixação do trocador térmico com a parede externa do motor.

3. Turborreator, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato que os meios de fixação comportam pelo menos um espaçador (117) .

4. Turborreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato que o espaço intersticial forma uma bolsa de ar.

5. Turborreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato que a parede externa do motor comporta um espaço vazado (108) no qual o trocador térmico está alojado de maneira a se estender no prolongamento do motor.

6. Turborreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato que o trocador térmico é munido de uma entrada de ar (115), disposta a montante do corpo do trocador térmico, apta a conduzir o ar no espaço intersticial.

7. Turborreator, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato que a entrada de ar capta o ar no fluxo de ar secundário (F) atravessando a nacele.

8. Turborreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato que o trocador térmico comporta uma saída de ar (114) colocada a jusante do corpo do trocador térmico, apto a permitir o escoamento do ar circulando no espaço intersticial fora do referido espaço intersticial.

9. Turborreator, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato que o trocador térmico é colocado sobre todo um perímetro circular externo do motor.

10. Aeronave caracterizada pelo fato de comportar pelo menos um turborreator de qualquer uma das reivindicações 1 a 9.