BRPI1103825A2 - hélice para uma aeronave - Google Patents

Abstract

hélice para uma aeronave. a presente invenção refere-se, em geral, a hélices para aeronave. mais particularmente, a presente invenção refere-se a uma hélice que tem uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas. a hélice (100, 300), para uma aeronave, que compreende um cubo de hélice (102, 302); um rotor (104, 304) para tornar a hélice aerodinâmica (100, 300); e uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas (106, 306) montadas no dito cubo de hélice (102, 302), em que as ditas lâminas de hélice (106, 306) são dispostas para girarem juntas na mesma direção rotacional em pelo menos dois planos paralelos (108,110, 308, 310) substancialmente perpendiculares a um eixo de rotação (112, 312) da hélice (100, 300).

Description

“HÉLICE PARA UMA AERONAVE” Campo A presente invenção refere-se, em geral, a hélices para aeronave. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a uma hélice que tem uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas.

Antecedentes Em aviação, sabe-se que se usam hélices que têm uma ou mais lâminas de hélice para gerar um fluxo de ar ao qual uma fuselagem possa reagir, por exemplo, de modo a gerar um empuxo para propelir uma aeronave [1]. Também se sabe que tais hélices podem ter uma inclinação variável de modo que o ângulo de ataque das lâminas de hélice em relação a um fluxo de ar possa ser ajustado para otimizar o desempenho da hélice [2 a 5] quando opera em qualquer velocidade particular.

Recentemente, melhorias no design de lâmina de hélice levaram ao uso crescente de materiais compósitos para formar as lâminas [6]; sendo que esses materiais compósitos têm vantagens de peso quando comparados a lâminas de hélice convencionais metálicas.

Entretanto, enquanto lâminas de hélice compósitas têm inúmeras vantagens, os materiais usados para formá-las têm que ser conformado de modo a fornecer transições lisas e graduais no formato de uma seção de aerofólio para uma raiz da pá de suporte porque as fibras que são usadas não podem ser feitas para mudar a direção bruscamente sem perder uma quantidade substancial de sua força mecânica. Isso contrasta com laminas metálicas, e significa que, em geral, a porção não-aerofólica das lâminas compósitas é maior em comprimento do que para lâminas metálicas de desempenho aerodinâmico comparável.

Adicionalmente, lâminas compósitas que devem ser usadas em hélices de inclinação variável exigem uma porção de raiz de seção transversal em geral circular para engatar com rolamentos de mudança do passo conhecidos. Portanto, para um determinado tamanho de aerofólio, uma hélice de passo variável que tem lâminas compósitas terá, em geral, um diâmetro ainda maior do que um equivalente de lâminas metálicas devido ao comprimento da transição do aerofólio para a raiz seccionada em geral circular. Isso resulta na versão compósita da hélice que precisa de um tamanho de rotor relativamente maior com um aumento consequente do arrasto, assim como aumenta as dificuldades de design ao combinar o rotor ao nacele da aeronave quando se tenta otimizar o desempenho aerodinâmico geral da aeronave.

Descrição Resumida A presente invenção foi, portanto, desenvolvida enquanto possuía as desvantagens citadas acima associadas a hélices de aeronave compósitas conhecidas em mente.

De acordo com um aspecto da presente invenção, é fornecida uma hélice para uma aeronave. A hélice compreende um cubo de hélice, um rotor para tomar a hélice aerodinâmica e uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas montadas ao dito cubo de hélice. As lâminas de hélice estão dispostas para girar juntas na mesma direção rotacional em pelo menos dois planos paralelos substancialmente perpendiculares a um eixo de rotação da hélice.

Ao fornecer tal pluralidade de lâminas de hélice compósitas montadas em pelo menos dois planos paralelos, vários aspectos e modalidades da presente invenção podem ser fornecidos tendo um rotor de diâmetro reduzido com um perfil aerodinâmico melhorado que pode ser combinado a um nacele de motor e tendo um perfil de arrasto reduzido para amas hélices de passo variável e não variável.

Breve descrição dos desenhos Vários aspectos e modalidades da presente invenção serão, agora, descritos em relação aos desenhos acompanhantes, nos quais: A Figura 1 mostra um diagrama esquemático que ilustra uma hélice de acordo com uma modalidade da presente invenção;

Figura 2 mostra uma seção transversal tirada através de uma disposição de hélice convencional; A Figura 3 mostra uma seção transversal tirada através de uma disposição de hélice de acordo com uma modalidade da presente invenção; e A Figura 4 mostra uma seção longitudinal feita através da disposição de hélice mostrada na Figura 3.

Descrição detalhada A Figura 1 mostra um diagrama esquemático que ilustra uma hélice 100 para uma aeronave, de acordo com uma modalidade da presente invenção. A hélice 100 compreende um cubo de hélice 102 que é acionado de maneira rotacionável por um motor de aeronave (não mostrado) alojado em uma nacele 116.

Um rotor 104 é fornecido envolvendo o cubo de hélice 102 para tornar a hélice aerodinâmica 100. Nessa modalidade, o rotor 104 é fixado ao cubo de hélice 102 de modo que eles girem juntos quando o cubo de hélice 102 é acionado pelo motor de aeronave. O rotor 104, que é, em geral, em formato de cone com um maior diâmetro denotado por φ, fornece uma interface aerodinâmica entre a hélice rotacionável 100 e a nacele de posição fixada 116.

Uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas 106 é montada no cubo de hélice 102 e se projeta pelo rotor 104, de modo que o rotor 104 forneça aerodinamismo para o ar fluindo próximo às raízes 120 das lâminas 106. Por exemplo, as lâminas 106 podem compreender um material de fibra tecida, como um ou mais dentre fibra de carbono e fibra de vidro. Certas modalidades preferíveis usam compósitos de resina epóxi de carbono reforçada devido às suas propriedades de resistência.

Nessa modalidade, as raízes 120 das lâminas 106 (apenas duas delas são mostradas para esclarecimento) são montadas no cubo de hélice por rolamentos de mudança do passo 114. Por exemplo, a hélice atual projetada para o Bombardier Dash™ 8Q400 é um projeto de seis lâminas em que essa tecnologia pode ser aplicada para fornecer um diâmetro de cubo reduzido e uma transição radial mais rápida para uma seção de aerofólio. Entretanto, vários rolamentos 114 podem ser usados como, por exemplo, aqueles fabricados por RPP (Revolvo™). Alternativamente, vários rolamentos do tipo de contato angular podem ser usados para uma guia de empuxo interno, com rolamentos de rolete do tipo radial sendo adequados para o uso em uma guia externa.

Os rolamentos de mudança do passo 114, com suas lâminas de hélice associadas 106, são fornecidos em dois planos adjacentes, a saber, um primeiro plano 108 e um segundo plano 110 separados por uma distância de separação axial denotada por d. O primeiro plano 108 é fornecido distalmente da nacele 116 e o segundo plano 110 repousa longitudinalmente mais próximo à nacele 116. Os rolamentos de mudança do passo 114 são, em geral, cilíndricos em formato e têm um diâmetro denotado como x na Figura 1. As lâminas de hélice 106 são, portanto, dispostas para girar juntas na mesma direção rotacional no primeiro e no segundo planos 108, 110, onde os planos 108, 110 são substancialmente perpendiculares a um eixo de rotação 112 da hélice 100.

Em várias modalidades preferíveis, o número de planos 108, 110 é dois. Isso é preferível uma vez que fornece uma construção de hélice simplificada que é relativamente fácil de se manter e inspecionar. Entretanto, modalidades da presente invenção não se limitam meramente ao uso de tais planos, e mais do que dois podem ser usados.

Cinco rolamentos de mudança do passo 114 são mostrados na Figura 1 para fins de esclarecimento apenas para ilustrar esquematicamente como várias modalidades da presente invenção podem fornecer uma densidade de compactação de lâmina aumentada na direção axial. Já que lâminas vizinhas 106 em planos adjacentes 108, 110 podem ser circunferencialmente afastadas em relação uma à outra, raízes 120 das lâminas 106 podem ser axialmente alojadas em grande proximidade, por exemplo, de modo que d < x. Tal densidade de compactação de lâmina aumentada permite um cubo de hélice de diâmetro reduzido 102 seja usado, e, consequentemente, um rotor de diâmetro correspondentemente reduzido 104 também pode ser usado para tornar o cubo de hélice aerodinâmico 102.

Um número igual de lâminas 106 pode ser fornecido em cada plano respectivo 108, 110. Isso simplifica o projeto de hélice e garante um balanceamento ótimo de modo que desgaste e vibração desuniformes sejam minimizados. O número de lâminas, N, em qualquer plano particular 108, 110 pode ser selecionado de modo que uma razão, R, do diâmetro do rotor φ para a raiz da lâmina 120 ou diâmetro do rolamento de mudança do passo x seja tal que 1 < i? <2, onde R = ^~. De preferência, l<R<^2e N = 2, 3 ou 4, x entretanto, de modo que a geração de empuxo ótimo possa ser fornecida peta hélice 100 com um rotor de diâmetro pequeno 104. A Figura 2 mostra uma seção transversal tirada através de uma disposição de hélice convencional 200. A hélice 200 inclui seis lâminas de hélice 206 dispostas em uma configuração hexagonaí co-planar. Apenas três das lâminas 206 são mostradas para auxiliar no esclarecimento.

As lâminas de hélice 206 são montadas em um cubo de hélice 202 com o uso de rolamentos de mudança do passo 214. Um rotor 204 é fornecido acerca do cubo de hélice 202, radialmente fora do qual as lâminas 206 são fornecidas com um perfil de aerofólio que pode ser otimizado para o desempenho de hélice. As lâminas 206 têm porções de extremidade de seções transversais circulares fornecidas no interior dos rolamentos de mudança do passo 214 que formam uma transição para os perfis de aerofólio nas respectivas regiões de transição de lâmina 207.

Cada lâmina 206 é fornecida com um braço de contrapeso 218. Os braços de contrapeso 218 são conectados a uma respectiva lâmina 206 e dispostos no interior do plano de rotação da hélice 200 entre a lâmina associada 206 e uma lâmina vizinha mais próxima 206. Os contrapesos respectivos 219 são fornecidos conectados aos braços de contrapeso 218 distalmente das lâminas 206 às quais estão fixados. Tais contrapesos 219 podem ser feitos a partir de tungstênio sinterizado, por exemplo.

Em operação, os contrapesos 219 e os braços de contrapeso 218 fornecem uma força de torque de balanceamento para as lâminas 206 para minimizar as cargas de controle e também para fornecer um mecanismo para o auto-engrossamento das lâminas para minimizar o arrasto aerodinâmico no caso de uma falha do sistema de controle primário. A magnitude da força de torque de balanceamento gerada depende da distribuição de peso e do comprimento dos contrapesos combinados 219 e dos braços de contrapeso 218, Também é mostrado na Figura 2 um círculo 222 que cobre as seis luvas de raiz de lâmina que se tocam dos respectivos rolamentos de mudança do passo 214 fornecidos na configuração hexagonal. O tamanho do cubo de hélice 202 tem que ser grande o suficiente para alojar essa configuração e, portanto, a configuração geométrica das luvas de raiz de lâmina efetivamente limita o tamanho - mínimo do cubo de hélice 202 e, consequentemente, também do rotor 204. Nessa configuração, com seis lâminas 206, o diâmetro do círculo 222 é duas vezes aquele das luvas de raiz de lâmina individuais, e, portanto, os diâmetros de ambos o cubo de hélice 202 e o rotor 204 não pode ser menor do que esse valor. A Figura 3 mostra uma seção transversal tirada através de um primeiro plano 308 de uma hélice 300, de acordo com uma modalidade da presente invenção. A hélice 300 inclui seis lâminas de hélice 306, 306'. Três das lâminas de hélice 306 são dispostas em uma configuração triangular equilátera co-planar no primeiro plano 308 e as outras três lâminas 306' estão dispostas em uma configuração triangular equilátera co-planar em um segundo plano 310 (consultar, também, a Figura 4, por exemplo) que é axialmente balanceado em relação ao primeiro piano 308.

As lâminas 306 no primeiro plano 308 mostradas na Figura 3 são separadas de maneira angular pelo ângulo de separação de lâmina Θ, que, nessa modalidade, é igual para todas as lâminas 306 a 120°. As lâminas 306 no primeiro plano 308 são afastadas de maneira angular em relação às lâminas 306' no segundo plano 310 por um afastamento circunferência! γ, que, nessa modalidade, é igual a 60° para todas as íâmínas 306'.

Em modalidades alternativas, entretanto, Θ pode variar entre as lâminas fornecidas em qualquer plano particular de modo que a redução de ruído possa ser realizada ao eliminar vários fenômenos de pulsação harmônica. Por exemplo, três lâminas podem ser fornecidas separadas, respectivamente, por Θ = 119°, 120° e 121°. Várias modificações ao afastamento clrcunferencial também podem ser feitos para fins similares de que um ou ambos Θ e γ podem ser usados para projetar o perfil de ruído, desempenho aerodinâmico, características de vibração, etc. da hélice.

As lâminas de hélice 306, 306’ são montadas em um cubo de hélice 302 com o uso de rolamentos de mudança do passo 314. Um rotor 304 é fornecido acerca do cubo de hélice 302, radialmente externo ao quais as lâminas 306, 306’ são fornecidas com um perfil de aerofólio que pode ser otimizado para o desempenho de hélice. O rotor 304 é axialmente montado ao cubo de hélice 302 e configurado para fornecer um perfil aerodinâmico para a hélice 300 ao desviar o fluxo de ar para longe das seções de raiz das lâminas de hélice 306, 306’ montadas no cubo de hélice 302.

As lâminas 306, 306’ têm porções de extremidades de seção transversal circular 320 fornecidas no interior de luvas de raiz de lâmina formando parte dos rolamentos de mudança do passo 314. As luvas de raiz de lâmina podem ser mais aproximadas do eixo da hélice 312 do que para uma disposição de hélice plana única comparável (como aquela mostrada na Figura 2, por exemplo). Isso significa que a região de transição das lâminas 306, 306' da raiz para a seção de aerofólío também pode ser mais aproximada do centro do cubo de hélice 302, permitindo a compactação adicional da hélice 300 na direção radial.

Cada lâmina 306 no primeiro plano 308 é dotada de um braço de contrapeso associado 318. Os braços de contrapeso 318 estão conectados a uma respectiva lâmina 306 e dispostos no interior do primeiro plano de rotação 308 da hélice 300 entre as lâminas associadas 306 e suas lâminas vizinhas associadas 306. Contrapesos respectivos (não mostrados) também podem ser fornecidos conectados aos braços de contrapeso 318 distais das lâminas 306 às quais eles são fixados.

Além disso, já que os braços de contrapeso 318 podem ser feitos mais longos do que em comparação às hélices planas únicas, como aquela mostrada na Figura 2, por exemplo, é possível dispensar a necessidade de fornecer contrapesos entre as lâminas 306' no segundo plano 310 já que os braços mais longos fornecem uma força dé torque de balanceamento maior para um dado peso. A hélice 300 é, portanto, não apenas simplificada se comparada às hélices convencionais, mas também tem um peso total reduzido. Ademais, tal construção simplificada tem benefícios de confiabilidade operacional melhorada e tempo/custo de manutenção reduzidos, já que os componentes da hélice são facilmente acessíveis e inspecionáveis. É mostrado na Figura 3 um círculo 322 que cobre as três luvas de raiz de lâmina que se tocam dos respectivos rolamentos de mudança do passo 314 fornecidos no primeiro plano 308. O tamanho do cubo de hélice 302 tem que ser grande o suficiente para abrigar essa configuração e, portanto, a configuração geométrica das luvas de raiz de lâmina efetivamente limita o tamanho mínimo do cubo de hélice 302 e, consequentemente, também o rotor 304. Nessa configuração triangular eqüilátera, com três lâminas 306, o diâmetro do círculo 322 é de aproximadamente 1,16 vezes aquele das íuvas de raiz de lâmina individuais e, portanto, essa configuração é radialmente mais compacta se comparada às hélices convencionais, como aquela da Figura 2. Os diâmetros de 306, 306’, o cubo de hélice 302 e o rotor 304 podem, portanto, ser reduzidos quando comparados às hélices convencionais, permitindo uma melhor combinação aerodinâmica a uma naceie de motor assim como um arrasto mais baixo no uso. A Figura 4 mostra uma seção longitudinal tirada através da hélice 300 da Figura 3 tirada ao longo da linha A-A. As lâminas 306 são fornecidas no primeiro plano 308. As lâminas 306' são fornecidas no segundo plano 310. Em operação, a hélice 300 gira em volta do eixo de rotação 312 de modo que as lâminas de hélice 306, 306’ girem juntas na mesma direção rotacional.

Ao fornecer tal hélice 300, uma seção de aerofólios das lâminas mais fina 306, 306' pode ser fornecida nos pontos onde as lâminas 306, 306' entram no fluxo de ar. Isso fornece uma melhoria de eficiência aerodinâmica adicional assim como para uma hélice de ruído reduzido. Em várias modalidades, o requerente também encontrou que tal disposição de hélice permite uma redução de 30% no diâmetro de naceie a ser alcançado.

Em várias modalidades alternativas, as lâminas 306, 306' podem ser axialmente intercaladas de modo que a separação entre os planos 308, 310 seja menor do que o diâmetro das luvas de raiz de lâmina individuais, Para várias modalidades, o número de lâminas e/ou planos fornecidos não é limitador. Por exemplo, as raízes de lâmina podem ser dispostas próximas umas das outras com duas lâminas sendo fornecidas em pelo menos um plano. Entretanto, por razões práticas, o número total de lâminas pode ser limitado, por exemplo, a quatro, seis, oito, dez ou doze. Em certas modalidades, de preferência seis ou oito lâminas são fornecidas, por exemplo, em dois planos, para otimizar a eficiência aerodinâmica das hélices. Vantajosamente, várias modalidades também podem ser fornecidas tendo perfis de ruído de operação projetados e/ou reduzidos.

Aqueles versados na técnica perceberão que várias modalidades das hélices de acordo com a presente invenção podem ser fornecidas. Por exemplo, enquanto as modalidades preferíveis descritas aqui usam lâminas de hélice de passo variável, aqueles versados na técnica saberíam que as lâminas de hélice de passo fixo também podem ser usadas. Tais lâminas de hélice de passo fixo podem, por exemplo, ser montadas em um cubo de hélice com o uso de mecanismos de retenção de lâmina de hélice conhecidos [6j.

Claims (10)

1. HÉLICE (100, 300) PARA UMA AERONAVE, que compreende: um cubo de hélice (102, 302); um rotor (104, 304) para tornar a hélice aerodinâmica (100, 300); e uma pluralidade de lâminas de hélice compósitas (106, 306) montadas no dito cubo de hélice (102, 302), em que as ditas lâminas de hélice (106, 306) estão dispostas para girarem juntas na mesma direção rotacional em peío menos dois planos paralelos (108, 110, 308, 310) substancialmente perpendiculares a um eixo de rotação (112, 312) da hélice (100, 300).

2. HÉLICE (100, 300), de acordo com a reivindicação 1, em que as lâminas vizinhas (106, 306) em planos adjacentes (108, 110, 308, 310) são circunferencialmente afastadas (y) em relação umas às outras.

3. HÉLICE (100, 300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que as raízes das lâminas (106, 306) são axialmente alojadas em grande proximidade.

4. HÉLICE (100, 300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que o ângulo de separação (Θ) das lâminas (106, 306) em pelo menos um plano (108, 110, 308, 310) é diferente do ângulo de separação (Θ) de lâminas (106, 306) em outro plano (108, 110, 308, 310).

5. HÉLICE (100, 300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que um número igual de lâminas (106, 306) é fornecido em cada plano respectivo (108, 110, 308, 310).

6. HÉLICE (100, 300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que as respectivas lâminas (106, 306) em qualquer plano (108, 110, 308, 310) são separadas pelo mesmo ângulo de separação (Θ).

7. HÉLICE (100, 300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que as lâminas (106) são lâminas de passò variável e as raízes (120, 320) das respectivas lâminas (106, 306) são retidas nos respectivos rolamentos de mudança do passo (114, 314) alojados no interior do cubo de hélice (102, 302).

8. HÉLICE (100, 300), de acordo com a reivindicação 7, em que um número de lâminas (/V) em um plano particular (108, 110, 308, 310) é selecionado de modo que uma razão (R) do diâmetro de rotor (φ) para a diâmetro do rolamento de mudança do passo (x) seja tal que 1 < Â < 2, onde X

9. HÉLICE (300), de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que pelo menos um braço de contrapeso (318) é fornecido entre as lâminas (306) em pelo menos um dos planos (308, 310),

10. HÉLICE (300), de acordo com a reivindicação 9, em que o pelo menos um braço de contrapeso (318) é fornecido em um único plano apenas (308).