ITMO20130083A1 - Motore aeronautico ibrido - Google Patents

Description

Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“MOTORE AERONAUTICO IBRIDO”.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un motore aeronautico ibrido.

Sono noti aeromobili che, oltre ad un motore endotermico che aziona l’organo sostentante (ad esempio, il rotore principale di un elicottero), comprendono alcuni motori elettrici/altematori.

In pratica, tali aeromobili comprendono un complesso sistema di propulsione che al motore endotermico, ad esempio del tipo a turbina, affianca: un primo motore elettrico per ravviamento del motore endotermico; un alternatore, azionato dal motore endotermico, che fornisce l’energia elettrica alla batteria del primo motore elettrico ed ai vari strumenti montati a bordo dell’ aeromobile; ed un secondo motore elettrico per azionare l’organo sostentante nel caso di malfunzionamento del motore endotermico.

Questa soluzione è particolarmente costosa e complessa, non solo perché richiede un numero significativo di motori e dispositivi collegati l’uno all’altro, ma perché necessita di disporre a bordo dell’aeromobile sia i cinematismi per il collegamento meccanico tra i vari motori e dispositivi sia il cablaggio tra le relative elettroniche di controllo.

Inoltre, il sistema di propulsione noto, a causa del fatto di essere formato da ben tre motori ed un alternatore, risulta essere particolarmente pesante, ciò che costituisce un inconveniente notevole per un veicolo destinato al volo. Il compito principale della presente invenzione è quello di escogitare un motore aeronautico ibrido che costituisce un unico propulsore che integra tutte le funzioni del motore endotermico, dei motori elettrici e degli alternatori della tecnica nota.

Α1Γ interno di questo compito, scopo della presente invenzione è quello di escogitare un motore aeronautico ibrido che consenta manovre di emergenza più agevoli ed efficaci, specialmente nel caso di impiego su elicotteri.

Altro scopo del presente trovato è quello di escogitare un motore aeronautico ibrido che Consenta di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota neH’ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.

Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal presente motore aeronautico ibrido, comprendente un motore endotermico ed un motore elettrico, caratterizzato dal fatto che:

- detto motore elettrico è atto ad essere connesso ad un organo utilizzatore di un aeromobile; e che

- l’albero di detto motore endotermico è connesso all’albero di detto motore elettrico tramite mezzi di connessione meccanica comprendenti una ruota libera ed un dispositivo a frizione disposto tra detto albero del motore elettrico e detto albero del motore endotermico, in parallelo a detta ruota libera.

Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un motore aeronautico ibrido, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegno in cui: la figura 1 è uno schema del motore aeronautico ibrido secondo il trovato; la figura 2 è una vista laterale parzialmente in sezione ed in spaccato del motore aeronautico ibrido secondo il trovato; e

la figura 3 è un ingrandimento di una porzione della figura 2.

Con particolare riferimento a tali figure, si è indicato globalmente con 1 il motore aeronautico ibrido dell’invenzione.

Il motore ibrido 1 dell’ invenzione è destinato alla propulsione di organi sostentanti di aeromobili.

Il motore ibrido 1 è specialmente congegnato per l’impiego in un elicottero e, pertanto, è particolarmente adatto all’ azionamento della trasmissione principale 2, connessa al rotore principale.

Tuttavia, il motore ibrido 1 dell’invenzione, nei suoi aspetti generali, può essere applicato anche alla propulsione di differenti velivoli per il trasporto di persone.

Il motore ibrido 1 proposto comprende, innanzitutto, un motore endotermico 3, che può essere una turbina a gas e, nel caso di impiego in un elicottero, è preferibilmente un turboalbero 3.

Inoltre, F invenzione include un motore elettrico 4 (preferibilmente di tipo brushless) destinato ad essere connesso all’organo utilizzatore 2 dell’aeromobile (di seguito chiamato semplicemente “utilizzatore”), vale a dire a detta trasmissione principale 2, nel caso esemplificato nelle figure. Secondo un vantaggioso aspetto dell’invenzione, rappresentato schematicamente nella figura 1, l’albero 30 del motore endotermico 3 è connesso all’albero 5 del motore elettrico 4 tramite dei mezzi di connessione meccanica 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 che comprendono una ruota libera 6.

In questa maniera, durante l’uso dell’aeromobile, sia il motore endotermico 3 sia il motore elettrico 4 trasmettono alternatamente la propria potenza al medesimo utilizzatore 2, o meglio ad un suo asse di azionamento 7, secondo modalità e in base a condizioni di funzionamento sotto spiegate nel dettaglio.

I citati mezzi di connessione 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 comprendono vantaggiosamente un dispositivo a frizione 8 (preferibilmente di tipo elettromagnetico) disposto tra l’albero 5 del motore elettrico 4 e quello del motore endotermico 3, in parallelo alla ruota libera 6 succitata.

In questa maniera, è possibile solidarizzare gli organi di trasmissione del motore endotermico 3 (successivamente descritti), con corrispondenti organi di trasmissione assoggettati al motore elettrico 4, dimodoché quest’ultimo possa fornire al motore endotermico 3 la propria potenza, il che è cruciale durante la fase di avviamento, per la spiegazione dettagliata della quale si rimanda alla descrizione del funzionamento dell’invenzione. Secondo la forma di realizzazione preferita dell’invenzione, rappresentata nelle figure 2 e 3, il motore ibrido 1 comprende sia una prima puleggia 9, calettata sull’asse di azionamento 7, sia una seconda puleggia 10 calettata sull’albero 5 del motore elettrico 5.

In questo caso, è inoltre prevista una cinghia 1 1 che collega la prima e la seconda puleggia 9, 10.

Di preferenza, i mezzi di connessione 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 dell’invenzione comprendono inoltre un riduttore 12 per connettere l’albero 30 del motore endotermico 3 ad un albero condotto 13 collegato in presa diretta alla suddetta mota libera 6, tramite appositi mezzi di attacco 14. Tale riduttore 12 può essere integrato direttamente nel motore endotermico 3 a definire un’unità installabile come un tutt’uno.

Di preferenza, il rapporto di trasmissione del riduttore 12 è circa pari a 26, col che, nel caso esemplificativo in cui il motore endotermico 23 sia un turboalbero il cui albero 30 può motare fino a 62400 giri al minuto, allora l’albero condotto 13 potrà arrivare a motare fino a 2360 giri/min circa. Sono tuttavia possibili differenti soluzioni in cui tale rapporto di trasmissione è diverso oppure in cui la riduzione richiesta sia effettuata senza l’impiego del riduttore 12 citato; in via esemplificativa ma non esaustiva, essa può essere ottenuta dall’ingranaggio a coppia conica normalmente previsto nella trasmissione 2 principale di un elicottero.

In particolare, i citati mezzi di attacco comprendono un membro di attacco 14, connesso direttamente ad un tamburo esterno 17 della mota libera 6, il quale funge in pratica da giunto di collegamento tra il motore endotermico 3 e la trasmissione principale 2.

In questo caso, sia la mota libera 6 sia il dispositivo a finzione 8 (di seguito chiamato semplicemente “frizione”) possono essere montati tra l’albero condotto 13 e la prima puleggia 9 (si veda in particolare la figura 3).

Più in dettaglio, la mota libera 6 e la frizione 8 possono essere entrambe collegate a detto membro di attacco 14.

Inoltre, di preferenza il tamburo interno 16 della mota libera 6 è solidarizzato alla prima puleggia 9 tramite una chiavetta 15, disposta in un’apposita cava dell’asse di azionamento 7, a calettare su quest’ultima sia la prima puleggia 9 sia detto tamburo interno 16.

La frizione 8 è preferibilmente accoppiata direttamente alla prima puleggia 9, come mostrato nelle figure.

Pertanto, è chiaro che, se la frizione 8 non è attivata, la mota libera 6 consente di trasferire all’asse di azionamento 7 la potenza erogata dal motore endotermico 3, quando la velocità dì rotazione dell’albero condotto 13 è superiore a quella dell’albero 5 del motore elettrico 5, col che la prima puleggia 9 viene trascinata dall’asse 7.

Se la frizione 8 è inserita, la potenza del motore elettrico 4 è trasferita tramite la puleggia 9 ed il membro di attacco 14, all’albero condotto 13 e, tramite questo, all’albero 30 del motore endotermico 3, cosa su cui si tornerà in sede di descrizione del funzionamento del motore ibrido 1.

Come sopra anticipato, la frizione 8 è preferibilmente di tipo elettromagnetico, e comprende una coppia di dischi rotanti connessi rispettivamente con la prima puleggia 9 e con il membro di attacco 14.

La frizione 8 inoltre comprende un avvolgimento elettrico atto, a seguito di un’opportuna eccitazione, a portare ad unione i due dischi della coppia in modo tale da solidarizzare i dichi stessi e, tramite questi, la prima puleggia 9 ed il membro di attacco 14.

Come mostrato in figura 1, l’invenzione può prevedere almeno un dispositivo accumulatore 18 di carica elettrica, che può essere una qualunque batteria adatta allo scopo.

In particolare, il motore ibrido 1 può comprendere un dispositivo regolatore 19 interposto tra il dispositivo accumulatore 18 ed il motore elettrico 4 per alimentare a quest’ultimo, in modo controllato, la corrente elettrica.

Tale dispositivo regolatore 19 può essere un cosiddetto “controller” per motori elettrici, un inverter, un regolatore di carica, ed in generale è uno di quei dispositivi di regolazione atti a pilotare la coppia e la potenza del motore elettrico ad esso assoggettato, tramite un’opportuna curva di alimentazione della corrente.

Nella forma di realizzazione preferita dell’ invenzione, il motore ibrido 1 proposto include anche una centralina di controllo 20 (o “ECU”), la quale è atta sia a comandare l’attivazione/disattivazione della frizione 8 sia a pilotare Γ in verter 19, in modo da regolare la corrente fornita al motore elettrico 4, ed in generale a coordinare funzionalmente il motore endotermico 3 e quello elettrico 4, secondo modalità di seguito spiegate. Ancora più in dettaglio, Γ invenzione può includere uno o più sensori, collegati all’ECU 20, tra cui in particolare un sensore atto a rilevare la velocità dell’albero 5 del motore elettrico 4, il quale sensore può ad esempio essere disposto in corrispondenza della seconda puleggia 10.

Si descrive di seguito il funzionamento dell’ invenzione facendo riferimento, senza perdita di generalità, al caso in cui il motore ibrido proposto 1 sia montato su un elicottero quale propulsore (perlomeno) della relativa trasmissione principale 2, ed in cui il motore endotermico sia un turboalbero 3.

In fase di avviamento, la centralina 20 è nella modalità di funzionamento di avviamento, in cui comanda il dispositivo regolatore 19 perché alimenti il motore elettrico 4 e, al contempo, comanda Γ attivazione della frizione 8. Pertanto, l’albero 5 del motore elettrico 4 inizia a ruotare e, tramite le trasmissioni ed i collegamenti meccanici sopra dettagliatamente spiegati, trascina in rotazione sia l’albero 30 del turboalbero 3 (in quanto la mota libera 6 viene in pratica bypassata) sia l’asse di azionamento 7, che produce la rotazione delle pale del rotore principale.

Durante questa fase iniziale, in pratica, il motore elettrico 4 aziona il turboalbero 3.

Dato che il momento di inerzia del rotore principale è molto differente da quello del turboalbero 3, è preferibile che il dispositivo regolatore 19 sia atto ad alimentare il motore elettrico 4 con una corrente determinata in base a tali momenti di inerzia, in maniera tale da evitare del tutto possibili rischi di danneggiamento del turboalbero 3.

Quando la velocità dell’albero condotto 13 raggiunge una data soglia di minimo (che può essere intorno ai 1000 giri al minuto), il che è inferito dalla velocità con cui ruota l’albero 5 del motore elettrico 4 rilevata dal suddetto sensore, allora la centralina 20 passa ad una modalità di funzionamento normale, in cui disattiva la frizione 8 e comanda il dispositivo regolatore 19 perché smetta di alimentare il motore elettrico 4. In questa fase, il turboalbero 3, già avviato, trascina in rotazione sia la trasmissione principale 2 (e quindi le pale) sia l’albero 5 del motore elettrico 4, in virtù della vantaggiosa presenza della mota libera 6.

In questa condizione, il motore elettrico 4 potrebbe fungere da alternatore, sebbene, a livello pratico, fino a quando la velocità dell’albero condotto 13 non raggiunge una soglia di alimentazione, che può essere pari a 1800 giri /min circa, non vi è un significativo trasferimento di carica dal motore elettrico 4 al dispositivo di accumulo 18, tramite il dispositivo regolatore 19.

Al termine di questo transitorio, che peraltro è molto breve, pari a pochi secondi, inizia l’accumulo di carica elettrica nel dispositivo di accumulo 18, in modo che le apparecchiature delPaeromobile che richiedono l’alimentazione elettrica possano beneficiare dell’energia prodotta dal motore elettrico 4, impiegato in qualità di alternatore.

Successivamente, quando la velocità del turboalbero 3 aumenta ulteriormente, il motore ibrido 1 raggiunge le condizioni di idle, ad esempio quando la velocità è cresciuta a 1800 giri/min, e successivamente di flight, ed è possibile il decollo ed il volo.

Vantaggiosamente, l’invenzione funge anche da sistema di emergenza per affrontare in modo più efficace ed agevole i casi di avaria del motore, come di seguito spiegato.

Come noto, in caso di avaria, il pilota è costretto ad effettuare una discesa controllata, in “autorotazione”, come si dice nel gergo tecnico, in modo da poter atterrare senza che l’elicottero subisca danni.

A tale fine, la velocità del rotore deve essere mantenuta entro parametri di autorotazione, cioè deve rimanere entro un intervallo specifico.

Impiegando il motore ibrido 1 dell’ invenzione, se il turboalbero 3 subisce un’avaria durante il volo dell’elicottero, essa è rilevata indirettamente dal suddetto sensore.

Infatti, da una parte, durante il volo, la rotazione impressa all’asse di azionamento 7 dal turboalbero 3 trascina in rotazione anche il motore elettrico 4 in virtù del collegamento definito dai suddetti mezzi di connessione, con particolare riferimento all’accoppiamento definito dalle pulegge 9, 10.

D’altro canto, ad un calo della velocità del rotore principale corrisponde direttamente un calo della velocità dell’albero 5 del motore elettrico 5 (rilevato dal sensore), perché la trasmissione principale 2 ed il citato accoppiamento tramite le pulegge 9, 10 individua un rapporto di trasmissione fisso tra il rotore e l’albero 4 del motore elettrico 5.

Pertanto, quando la velocità del rotore scende sotto una soglia minima, cui corrisponde una rispettiva soglia minima della velocità dell’albero 4 del motore elettrico 5, rilevata dal sensore, allora la centralina 20 passa in una modalità di funzionamento di avaria in cui aziona il motore elettrico 4, tramite il dispositivo regolatore 19, in maniera tale che la velocità del rotore ritorni sopra la soglia minima e vi rimanga.

Inoltre, l’invenzione offre i suoi maggiori e più sorprendenti vantaggi nel prevenire il rischio di atterraggio con “anello vorticoso”.

Infatti, quando il sensore rileva una velocità dell’albero 5 del motore elettrico 4 che rappresenta una un valore di velocità del rotore che ha superato una soglia massima, allora la centralina 20 comanda il dispositivo regolatore 19 in modo che smetta di alimentare il motore elettrico 4, così da disporlo nella modalità di funzionamento in cui funge da alternatore, e quindi costituisce un freno alla velocità del rotore principale, consentendo pertanto al pilota di mantenere più facilmente le condizioni di autorotazione.

Ulteriormente, l’invenzione prevede vantaggiosamente un ulteriore accorgimento per garantire la sicurezza del volo, secondo il quale la trasmissione del rotore di coda dell’elicottero è collegata all’albero 5 del motore elettrico 4.

In pratica, in condizioni di volo normale, il turboalbero 3, tramite i più volte citati mezzi di connessione meccanica, trascina in rotazione l’albero 4 del motore elettrico 5 e, tramite questo, il rotore di coda.

Sia nel caso di avaria del turbo albero 3, sia nel caso in cui, per esempio, la citata cinghia 11 si strappi, dal momento che il sensore rileverà un calo della velocità, allora la centralina 20 passerà alla modalità di avaria in cui avvierà il motore elettrico 4 che trasmetterà al rotore di coda la potenza sufficiente per un’ efficacie funzionamento.

Poiché la perdita subitanea di potenza nel rotore di coda è una delle maggiori cause di incidente, e visto che l’invenzione è escogitata in modo da riuscire ad evitarla o compensarla immediatamente, allora è chiaro che un elicottero che monti il motore ibrido 1 proposto offre una sicurezza di volo grandemente maggiore di quelli oggi disponibili sul mercato.

Si è in pratica constatato come l’invenzione descritta raggiunga gli scopi proposti e in particolare si sottolinea il fatto che rende disponibile un motore aeronautico ibrido che non solo riesce a svolgere tutte le funzioni dei sistemi di propulsione aeronautici noti, con costi e peso di gran lunga inferiori, ma inoltre offre ai piloti un valido ausilio all’atterraggio in sicurezza, nel caso di avaria del motore endotermico.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1) Motore aeronautico ibrido (1), comprendente un motore endotermico (3) ed un motore elettrico (4), caratterizzato dal fatto che: - detto motore elettrico (4) è atto ad essere connesso ad un organo utilizzatore (2) di un aeromobile; - l’albero (30) di detto motore endotermico (3) è connesso all’albero (5) di detto motore elettrico (4) tramite mezzi di connessione meccanica (6, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14) comprendenti sia una ruota libera (6) sia un dispositivo a frizione (8), disposto tra detto albero (30) del motore elettrico (3) e detto albero (5) del motore endotermico (4), in parallelo a detta ruota libera (6).
2. 2) Motore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere: un asse di azionamento (7) per azionare direttamente detto organo utilizzatore (2); una prima puleggia (9) atta ad essere calettata su detto asse (7); una seconda puleggia (10) calettata su detto albero (5) del motore elettrico; ed una cinghia (11) che collega dette prima e seconda puleggia (9, 10).
3. 3) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di connessione (9, 10, 11, 12, 13, 14, 6, 8) comprendono almeno un riduttore (12) per connettere detto albero (30) del motore endotermico ad un albero condotto (13) collegato a detta ruota libera (6).
4. 4) Motore (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta ruota libera (6) è montata tra detto albero condotto (13) e detta prima puleggia (9).
5. 5) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni dalla 3 alla 4, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo a frizione (8) è montato tra detta prima puleggia (9) e detto albero condotto (13).
6. 6) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto motore endotermico è un turbo albero (3).
7. 7) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto motore elettrico (4) è del tipo brushless.
8. 8) Motore (1) secondo ima o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo accumulatore (18) di carica elettrica atto a fornire o ricevere carica elettrica a/da detto motore elettrico (4).
9. 9) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una centralina di controllo (20) per comandare detto dispositivo di frizione (8).
10. 10) Motore (1) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo regolatore (19) atto a pilotare la corrente alimentata a detto motore elettrico (4) e comandato da detta centralina (20).
11. 11) Motore (1) secondo la rivendicazione 9 o la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore atto a rilevare la velocità di detto albero (5) del motore elettrico (4)e collegato a detta centralina (20).
12. 12) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni dalla 8 alla 11, caratterizzato dal fatto che detta centralina (20) ha una pluralità di modalità di funzionamento, tra cui una modalità di avviamento, in cui essa aziona sia detto motore elettrico (3), mediante l’alimentazione da parte di detto dispositivo regolatore (19), sia detto dispositivo di frizione (8), ed una modalità normale in cui interrompe P alimentazione elettrica fornita da detto dispositivo regolatore (19) e disattiva detto dispositivo di frizione (8).
13. 13) Motore (1) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detta centralina (20) è programmata in modo da passare dalla modalità di avviamento alla modalità normale, a seguito del fatto che la velocità di detto albero condotto (13) ha raggiunto una soglia di minimo.
14. 14) Motore (1) secondo una o più delle rivendicazioni dalla 11 alla 13, caratterizzato dal fatto che detta centralina (20) ha una modalità di funzionamento di avaria, in cui, a seguito del rilevamento da parte di detto sensore di un calo di velocità sotto una soglia minima, detta centralina (20) comanda detto dispositivo regolatore (19) perché azioni detto motore elettrico (4) in modo da riportare e mantenere detta velocità al di sopra di detta soglia minima, ed in cui, alternatamente, interrompe l’alimentazione a detto motore elettrico (4) quando detta velocità raggiunge una soglia massima.
15. 15) Elicottero (1) comprendente un motore aeronautico ibrido (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una trasmissione principale (2) che costituisce detto organo utilizzatore.
16. 16) Elicottero (1) secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto di comprendere un rotore di coda e dal fatto che detto albero (5) del motore elettrico (4) è collegato alla trasmissione di detto rotore di coda.