BRPI0807050A2

BRPI0807050A2 - Método para operar um motor de hélice de contraarrotação, e, motor de hélice de contraarrotação.

Info

Publication number: BRPI0807050A2
Application number: BRPI0807050-4A2A
Authority: BR
Inventors: Anthony Brian Parry; Nicholas Howarth; Mark David Taylor
Original assignee: Rolls Royce Plc
Priority date: 2007-02-10
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2014-04-15
Also published as: CN101657607B; JP2013144545A; US8382430B2; JP5489727B2; WO2008096124A3; US20100047068A1; CA2676850A1; GB0702608D0; WO2008096124A2; CN102390523A; EP2118444B1; RU2009133692A; JP2010517859A; CN101657607A; RU2472942C2; EP2118444A2

Description

“MÉTODO PARA OPERAR UM MOTOR DE HÉLICE DE CONTRARROTAÇÃO, E, MOTOR DE HÉLICE DE CONTRARROTAÇÃO”

A presente invenção refere-se a um motor de turbina a gás, tendo formações de hélice de contrarrotação particularmente mas não exclusivamente, compreendendo diferentes números de pás e espaçamento específico entre formações para redução de ruído. A presente invenção também refere-se a um método para operar um motor de hélice de contrarrotação para redução de ruído.

Uma desvantagem dos motores abertos de turbina de rotor para propulsão de aviões é uma penalidade de ruído, em comparação com os motores de turbina a gás de hélice de duto, que têm tratamento acústico dentro do duto.

A US 4.883.240 descreve um par de hélices de avião de contrarrotação que produzem ruído na forma de uma onda portadora modulada em frequência. A modulação de frequência permite que um projetista manipule o espectro de energia do ruído a fim de, por exemplo, colocar muita da energia acústica dentro de faixas de frequência inaudíveis. Isto é conseguido pelas hélices de contrarrotação compreendendo: (a) uma primeira hélice tendo Nl pás e (b) uma segunda hélice tendo N2 pás, em que Nl e N2 são selecionados de modo que os cruzamentos seqüenciais das pás não sejam adjacentes. Nl e N2 representam números de pás desiguais e diferem em dois e, preferivelmente, não têm denominador comum. Além disso, a primeira hélice compreende mais pás do que a segunda pá de popa. Geralmente, quanto maior o número de pás na primeira hélice, menos ruído é gerado pela segunda hélice cortando através dos mais numerosos porém menores vórtices da esteira. Entretanto, há um compromisso para considerar entre exigências de peso e desempenho dinâmico. Embora este arranjo de formações de pás de contrarrotação possa gerar menos ruído do que outros arranjos, as recentes restrições de ruído de avião são significativamente mais rigorosas e, em conseqüência, são necessárias mais reduções de ruído.

Portanto, é um objetivo da presente invenção prover um

turbomotor a gás tendo um par de hélices de avião contrarrotação, que produza menos ruído para uma dado regime de potência.

De acordo com a presente invenção, um método para operar um motor de hélice de contrarrotação, tendo hélices dianteira e traseira, em 10 que o motor é operado durante pelo menos uma decolagem, uma subida, uma fase de cruzeiro e uma fase de aproximação, durante a fase de cruzeiro o motor opera com uma velocidade de ponta de hélice genericamente constante, é caracterizado pela etapa de operar a velocidade de ponta de pelo menos uma das hélices, durante pelo menos uma de decolagem, subida ou aproximação 15 em uma maior velocidade de ponta do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

Preferivelmente, a velocidade de ponta de ambas as hélices é maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

Vantajosamente, a velocidade de ponta da(s) hélice(s), durante pelo menos uma de decolagem, subida ou aproximação, é de pelo menos 10% maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

Preferivelmente, a velocidade de ponta da(s) hélice(s), durante pelo menos uma de decolagem ou aproximação, é de 20% ±5% maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

Preferivelmente, as hélices compreendem pás de passo variável, o método compreendendo a etapa de fechar as pás de seu passo de cruzeiro para seu passo de aproximação.

Preferivelmente, as hélices compreendem pás de passo variável, o método compreendendo a etapa de abrir as pás de seu passo de decolagem para seu passo de cruzeiro. Em outro aspecto da presente invenção é provido um motor de hélice de contrarrotação, tendo hélices dianteira e traseira, a hélice dianteira tendo pelo menos 9 pás (Nf = 9) e um diâmetro Df, a hélice traseira tendo um número máximo de pás, Nr = Nf menos pelo menos 3, as hélices dianteira e 5 traseira são separadas por um intervalo axial x, caracterizado pelo fato de a relação x/Df ser entre 0,15 e 0,4.

Preferivelmente, a hélice dianteira tem 12 pás e a hélice traseira tem 9 pás.

Alternativamente, a hélice dianteira tem 12 pás e a hélice traseira tem 7 pás.

Alternativamente, a hélice dianteira tem 12 pás e a hélice traseira tem 5 pás.

Vantajosamente, a hélice dianteira tem um diâmetro maior do que a hélice traseira. Preferivelmente, o diâmetro da hélice traseira é entre 0,05Df e 0,2Df menor do que a hélice dianteira.

A presente invenção será mais totalmente descrita por meio de exemplo, com referência aos desenhos anexos, em que:

A Figura 1 é uma seção esquemática do motor de turbina a gás tendo um par de hélices de contrarrotação de acordo com a presente invenção; A Figura 2 é uma vista esquemática de uma formação de pás

de uma hélice ilustrando ruído de rotor somente;

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma formação de pás de uma hélice ilustrando um campo de fluxo aerodinâmica de potencial rapidamente declinando;

A Figura 4 é uma curva típica de sustentação-resistência de pá

de hélice;

A Figura 5 é uma vista extrema esquemática de uma pá de

passo variável.

Com referência à Figura 1, um motor de turbina a gás de hélice de contrarrotação de dois compressores axiais em série é geralmente indicado em 10 e tem um eixo geométrico principal e rotacional 9. O motor 10 compreende um motor de núcleo 11, tendo, em série de fluxo axial, uma admissão de ar 12, um compressor de pressão intermediária 14 (IPC), um 5 compressor de alta pressão 15 (HPC), equipamento de combustão 16, uma turbina de alta pressão 17 (HPT), turbina de baixa pressão 18 (IPT), uma turbina de potência livre 19 (LPT) e um bico de exaustão de núcleo 20. Uma nacela 21 geralmente circunda o motor de núcleo Ile define a admissão 12 e bico 20 e um duto de exaustão de núcleo 22. O motor 10 também compreende 10 duas hélices de contrarrotação 23, 24, fixadas à e acionadas pela turbina de potência livre 19, que compreende formações de pás de contrarrotação 25, 26.

O motor de turbina a gás 10 funciona de uma maneira convencional, de modo que o ar penetrando na admissão 13 é acelerado e comprimido pelo IPC 14 e direcionado para dentro do HPC 15, onde mais 15 compressão ocorre. O ar comprimido exaurido do HPC 15 é direcionado para dentro do equipamento de combustão 16, onde ele é misturado com combustível e a mistura combustada. Os resultantes produtos de combustão quentes então expandem-se completamente e, desse modo, acionam as turbinas de elevada, baixa pressão e de potência livre 17, 18, 19 antes de 20 serem exauridos através do bico 20, para prover algum empuxo propulsivo. As turbinas de elevada, baixa pressão e potência livre 17, 18, 19, respectivamente, acionam os compressores de elevada e intermediária pressão

15, 14 e as hélices 23, 24 por eixos interconectantes adequados. As hélices 23,

24 normalmente fornecem a maior parte do empuxo propulsivo.

As formações de hélice 23, 24 são separadas por um

espaçamento axial x, entre os eixos geométricos de mudança de passo dianteiro e traseiro 23p e 24p, respectivamente. Usualmente, o diâmetro das formações 23, 24 é de aproximadamente o mesmo, entretanto, diferentes diâmetros podem ser usados, enquanto permanecendo dentro do escopo da presente invenção.

Em uma forma de realização preferida, a hélice dianteira 23 é projetada com 12 pás; a hélice traseira 24 é projetada com 9 pás. A separação axial x entre os eixos geométricos de mudança de passo dianteiro e traseiro 23p e 24p é de um quarto do diâmetro da hélice dianteira Df (isto é, x = Df/4).

As fontes tonais de ruído principais são tons somente do rotor 30, gerados por cada formação de pá 23, 24 (vide Fig. 2) e, adicionalmente, os tons 32 gerados pela interação entre os campos de fluxo aerodinâmicos em . tomo de cada formação de pá 23, 24. O campo de fluxo 32 consiste de componentes tanto “potenciais” como viscosos. A presente invenção consiste de modificar a velocidade da ponta das pás 23 χ, 24T na decolagem, subida e/ou aproximação, para otimizar (minimizar) a resistência das formações de pá 23, 24, assim reduzindo a resistência das esteiras 34 de cada pá e, desse modo, reduzindo o ruído gerado pela esteira 34 interagindo com as pás a jusante e o ambiente.

As fontes de ruído adicionais (tons 32) são controladas por uma escolha adequada de números de pá nas formações tanto dianteira como traseira 23, 24; uma escolha adequada de intervalo axial x (Fig. 1); e uma escolha adequada de velocidade de ponta de pá. A intensidade do campo potencial 32 (de uma ou outra formação 23, 24) varia como:

-2B~: (1)

Df)

onde B é o número de pás, Ax é a mudança da distância axial entre as duas fileiras daquela da forma de realização preferida e Df é o diâmetro da hélice dianteira 23. Esta relação pode ser usada para determinar variações adequadas da forma de realização preferida, devidas a mudanças no 25 número de pá e separação. Além disso, o (mais) importante primeiro harmônico do ruído apenas do motor varia com o número de pás e velocidade de ponta como BMlIl - Μ] fXp " f In \ l + jl-M? Μ.

Λ

μ;

(2)

onde M1 é ο número Mach rotacional da ponta da pá. Utilizando-se as expressões das equações (1) e (2) acima é possível variar o(s) número(s) de pá, velocidade(s) de ponta de pá e o intervalo axial x de pá-a-pá, para reduzir o ruído tanto das interações de campo potencial como das pás de 5 rotor individual a um nível bem abaixo daquele do ruído produzido pela interação da esteira entre as formações de pá dianteira e traseira 23, 24.

O número aumentado de pás assegura que o ruído “rotor- apenas” (isto é, o ruído que cada fileira faria, mesmo se estivesse operando em isolamento da outra fileira) de cada hélice (tanto dianteira como traseira) é 10 significativamente reduzido. Os apropriados números de pás (mais elevado) também assegura que o campo de fluxo aerodinâmico potencial em tomo de cada hélice seja reduzido de intensidade; esse fato, combinado com o apropriado (aumentado) intervalo axial x, de acordo com a presente invenção, entre as formações dianteira e traseira 23, 24, assegura que o ruído, gerado 15 pela interação aerodinâmica entre a formação de pás e o “campo potencial” do outro, seja grandemente reduzido em relação à fonte de ruído remanescente (significativa), que é causada pela interação entre a formação traseira 24 e as esteiras viscosas/de vórtice 34 emanando da formação dianteira 23.

Deve ser apreciado que, na prática normal de projeto, uma 20 hélice é projetada para uma velocidade de ponta particular e então mantém substancialmente a mesma velocidade de ponta por todo o envelope de voo (desenho com as limitações de voo de uma aeronave). O passo da pá é mudado para variar as cargas (empuxo) como necessário, através de diferentes seções do ciclo de voo, onde a velocidade de voo da aeronave

muda.

Verificou-se que o nível de ruído, e a diretividade de ruído do campo-distante, da interação da esteira/formação traseira 24 pode ser controlada até certo ponto pela escolha do número de pás em cada formação 23, 24. Uma hélice de contrarrotação com igual, ou quase igual, números de pás nas formações dianteira e traseira 23, 24 produz uma forte diretividade com alto ruído, tanto diretamente da popa à proa. Uma hélice com uma 5 diferença de 2 ou mais em cada número de pás da formação produz mais baixos picos de níveis de ruído e um padrão de diretividade da popa à proa mais suave. A combinação de 12 pás na hélice dianteira 23 e 9 na traseira 24 mantém elevado número de pás dianteiras e traseiras e tem uma diferença de número de pás de 3, capaz de produzir a requerida diretividade suave. O mais 10 elevado número de pás da formação dianteira 23 produz esteiras viscosas relativamente menores 34, que declinam mais rapidamente a jusante.

Uma vez os números de pás requeridos e intervalo axial x tenham sido selecionados, a única fonte de ruído restante de significância é devida à interação da esteira 34 com a formação a jusante 24. Esta fonte de 15 ruído pode ser reduzida substancialmente se as velocidades de ponta de pá forem (aerodinamicamente) ótimas nas condições de decolagem, subida e aproximação. A prática normal seria projetar cada hélice para uma velocidade de ponta adequada em condições de cruzeiro (alta velocidade para a frente e elevada altitude) e então projetar as seções de pá para maximizar a relação de 20 sustentação-resistência ao avanço Ci/CD, onde Cl é o coeficiente de sustentação de seção e Cd é o coeficiente de resistência de seção, Fig. 4. Se a velocidade de ponta de pá for mantida nas condições de decolagem (ou aproximação), como é a pratica usual de projeto, então o coeficiente de sustentação da seção de pá de hélice aumenta (em relação àquele em 25 condições de cruzeiro), resultando em um aumento significativo (maior do que proporcional) no coeficiente de resistência da seção de pá de hélice. Embora o aumento da resistência não seja demasiadamente significativo para o desempenho (uma vez que isso somente acontece durante uma pequena parte do inteiro ciclo de voo), o aumento é significativo para ruído, visto que ele govema a resistência da parte de ‘esteira’ da interação aerodinâmica entre a fileira de pá de hélice e qualquer fileira de pá a jusante ou estrutura estática - tal como qualquer parte estática do motor ou estrutura do avião a jusante da fileira de pás traseira, incluindo mas não se restringido a seções de aerofólio, 5 tais como pilones ou asas.

Assim, aumentando-se a velocidade de ponta de hélice das hélices dianteira e/ou traseira 23, 24 na decolagem, subida e/ou aproximação, em relação às velocidades de ponta de cruzeiro, embora contra-intuitivo, resulta em uma diminuição de ruído (ou, pelo menos, no componente de 10 interação de esteira do ruído total) quando a diminuição da resistência da esteira, e seu impacto sobre o ruído resultante gerado pela interação entre as esteiras 34 e a formação de pá a jusante 24 ou estrutura estática a jusante, mais do que compensa o efeito da mais elevada velocidade de ponta sobre o ruído.

A análise racional anteriormente descrita também se aplica a

uma hélice particularmente, mas não exclusivamente, com uma faixa de números de pá entre 11 - 15 na formação dianteira 23 e com números de pá entre 5 - 10 na formação traseira 24. Preferivelmente, a diferença em números de pá sendo de pelo menos 3, embora uma diferença maior também proveria 20 benefícios. Isso também se aplica a hélices de contrarrotação com uma faixa de intervalos axiais x/D=0,15 a x/D = 0,4. A escolha apropriada dos números de pá das formações dianteira e traseira e do intervalo axial pode ser determinada, em relação aos dados, pelas fórmulas (1) e (2) acima.

Dois outros números de pá específicos para as formações de 25 hélice dianteira e traseira 23, 24 são primeiramente 12 e 5 e em segundo lugar 12 e 7, respectivamente. Estas combinações de dois números de pá fornecem muito do benefício da configuração de 12 e 9 (números de pá suficientemente elevados para reduzir os componentes de ruído de somente-rotor, o ruído gerado pelas interações de campo potencial e o ruído de interação de esteira,via um aumento na velocidade de ponta) e assegura que não haja interações simultâneas e/ou adjacentes entre as pás de hélice dianteira e traseira 23, 24.

Assim, a presente invenção presta-se a um método para operar um motor de hélice contrarrotação, em que, durante a fase de cruzeiro, o motor opera com uma velocidade de ponta de hélice genericamente constante e aumentar a velocidade de ponta de uma ou ambas as hélices 23, 24 durante decolagem, subida ou aproximação a uma velocidade maior do que a velocidade de cruzeiro. Acredita-se que as vantagens de redução de ruído serão evidentes onde a velocidade de ponta na decolagem, subida ou aproximação for maior do que a velocidades de ponta de cruzeiro e tomam-se particularmente significativas onde a velocidade de ponta na decolagem, subida ou aproximação for de pelo menos 10% maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro e tiver uma redução de ruído ótima nas velocidades de ponta de 20% ± 5% maior do que em cruzeiro.

Durante o aumento da velocidade de ponta das pás de uma ou outra ou de ambas as hélices 23, 24 pode haver um desejo de ajustar o grau do empuxo produzido e deve ser evidente para a pessoa hábil que o motor e sua operação incluem pás de passo variáveis. Com referência à Figura 5, uma pá 20 23, 24 é fixada em um cubo de suporte 36, que pode ser girado para variar o ângulo de passo 0. As pás produzem tanto o empuxo T como a sustentação L. Quando a velocidade de ponta na decolagem, subida ou aproximação é aumentada a mais do que a velocidade de ponta de projeto de cruzeiro, as pás são giradas fechadas ou em “passo fino” em relação ao que seria requerido em 25 um projeto sem um aumento de velocidade de ponta. A resistência de pá é diminuída significativamente pelo aumento da velocidade de pá, acompanhada por alguma diminuição do coeficiente de sustentação de pá (embora a própria sustentação não necessite variar). Entretanto, a combinação de um aumento da velocidade de ponta e uma mudança apropriada do passo de pá seja usada para assegurar que a pá alcance suas exigências de sustentação e empuxo.

Como uma alternativa para reduzir o ruído da comunidade, o motor de acordo com a presente invenção pode ser operado em um mais elevado nível de desempenho do que de outro modo em um dado e aceitável nível de ruído. Uma vantagem adicional é que a aeronave associada será capaz de alcançar uma mais elevada altitude mais rapidamente, portanto reduzindo os níveis de ruído percebidos em terra.

A presente invenção é descrita e mostrada com as formações de hélice dianteira e traseira 23, 24 tendo aproximadamente o mesmo diâmetro, entretanto, uma ou outra formação 23, 24 pode ter um diâmetro maior do que a outra. Em particular, a hélice traseira 24 é projetada com um diâmetro menor do que a hélice dianteira 23. Isto pode ser visto na Fig. 1 pela linha tracejada 24T’ e diâmetro de hélice DR\ Entende-se que um vórtice ou esteira particularmente forte é gerado e irradiado pela ponta radialmente para fora 23T das pás de hélice dianteiras. Uma fonte de forte ruído é gerada pela hélice traseira a jusante 24 cortando através deste vórtice gerado por ponta. Assim, a projeção da hélice traseira 24 para parcial ou completamente evitar cortar através do vórtice ou esteira gerado pela ponta vantajosamente reduz o ruído ainda mais.

Deve ser entendido que o valor em que o diâmetro da fileira traseira é reduzido dependerá da resistência e tamanho do vórtice ou esteira e da distância entre as hélices 23, 24. Também a configuração da pá de hélice 23 a montante, particularmente em sua ponta, e o passo de cada pá determinarão a resistência e tamanho do vórtice ou esteira. Além disso, as condições operacionais do motor e modo de voo da aeronave serão todos fatores na geração dos vórtices ou esteiras de ponto. Como uma forma de realização exemplar, as hélices dianteira e traseira 23, 24 são separadas por um intervalo axial x entre 0,15Df e 0,4Df, o diâmetro da hélice traseira podendo ser reduzido entre 0,05Df e 0,2Df, respectivamente.

Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência a um motor de turbina a gás, ela pode também ser implementada com um motor diesel, a gasolina, células de combustível ou outros, capazes de acionar formações de hélice de contrarrotação.

Claims

1. Método para operar um motor de hélice de contrarrotação, tendo hélices dianteira e traseira (23, 24), em que o motor é operado durante pelo menos uma decolagem, uma subida, uma fase de cruzeiro e uma fase de aproximação, durante a fase de cruzeiro o motor operando com uma velocidade de ponta de hélice genericamente constante, caracterizado pela etapa de operar a velocidade de ponta de pelo menos uma das hélices, durante pelo menos uma decolagem, subida ou aproximação em uma maior velocidade de ponta do que a velocidades de ponta de cruzeiro.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a velocidade de ponta de ambas as hélices ser maior do que a velocidades de ponta de cruzeiro.

3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 a 2, caracterizado pelo fato de a velocidade de ponta da(s) hélice(s), durante pelo menos uma de decolagem, subida ou aproximação, ser de pelo menos 10% maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de a velocidade de ponta das hélices, durante pelo menos uma de decolagem ou aproximação, ser de 20% ± 5% maior do que a velocidade de ponta de cruzeiro.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as hélices compreendem pás de passo variável, o método compreendendo a etapa de fechar as pás de seu passo de cruzeiro para seu passo de aproximação.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as hélices compreendem pás de passo variável, dito método compreendendo a etapa de abrir as pás de seu passo de decolagem para seu passo de cruzeiro.

7. Motor de hélice de contrarrotação, caracterizado pelo fato de ter hélices dianteira e traseira (23, 24), a hélice dianteira (23) tendo pelo menos 9 pás (Nf = 9) e um diâmetro Df, a hélice traseira (24) tendo um número máximo de pás , Nr = Nf menos pelo menos 3, as hélices dianteira e traseiras (23, 24) sendo separadas por um intervalo axial x, caracterizado pelo fato de a relação x/Df ser entre 0,15 e 0,4.

8. Motor de hélice de contrarrotação de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a hélice dianteira (23) ter 12 pás e a hélice traseira (24) ter 9 pás.

9. Motor de hélice de contrarrotação de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a hélice dianteira (23) ter 12 pás e a hélice traseira (24) ter 7 pás.

10. Motor de hélice de contrarrotação de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a hélice dianteira (23) ter 12 pás e a hélice traseira (24) ter 5 pás.

11. Motor de hélice de contrarrotação de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pelo fato de a hélice dianteira (23) ter um diâmetro maior do que a hélice traseira (24).

12. Motor de hélice de contrarrotação de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o diâmetro da hélice traseira (24) ser entre 0,05Df e 0,2Df menor do que o da hélice dianteira (23).