BRPI0808904A2 - Dispositivo de degelo de uma entrada de ar de um motor de combustão interna. - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO DE DEGELO DE UMA ENTRADA DE AR DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA”

A presente invenção se refere ao domínio dos motores de combustão interna aeronáuticos e industriais e em especial mas não exclusivamente àquele das turbinas a gás tais como os turbomotores que equipam os helicópteros.

Ela se refere mais especialmente aos motores de combustão interna tais como por exemplo as turbinas a gás que compreendem uma entrada de ar e que são destinadas a ser utilizadas em condições nas quais orvalho congelado pode se formar na entrada de ar, notadamente em uma grade de proteção dispostas na dita entrada de ar cuja função é a de impedir os corpos estranhos de penetrar no motor.

É bem conhecido que sob certas condições meteorológicas, orvalho congelado pode se formar na entrada de ar da turbina a gás em proporções tais que o acúmulo de orvalho congelado pode levar à obturação parcial da entrada de ar da turbina de gás, que pode provocar o dano total ou parcial da turbina a gás.

No caso dos helicópteros, esse fenômeno de geada pode aparecer notadamente quando o helicóptero evolui em uma atmosfera úmida e fria, por exemplo na montanha ou na proximidade de uma extensão de água.

Compreende-se facilmente que a existência de um risco de geada força a aeronave a ser imobilizada no solo para evitar qualquer risco de perda de potência, e mesmo de paralisação de motor em vôo.

A presente invenção se refere portanto a um dispositivo de degelo de uma entrada de ar de um motor de combustão interna tal como uma turbina a gás que equipa um turbomotor de helicóptero por exemplo.

Dentre os dispositivos de degelo já conhecidos, podem ser notados aqueles que utilizam ar sob pressão retirado na saída de um estágio de compressão da turbina a gás com o objetivo de fazer o orvalho congelado fundir.

Nesses dispositivos, o ar sob pressão é levado a partir da saída do estágio de compressão para a entrada de ar para reaquecer zonas do motor a degelar como por exemplo órgãos fixos tal como o conduto de entrada de ar 5 do motor, ou então órgãos móveis tais como as pás de pré-rotação geralmente equipadas com articulações que são localizadas imediatamente a montante da roda de compressor. Um inconveniente maior desses dispositivos é que eles são especialmente consumidores de energia pois eles retiram uma quantidade significativa de energia necessária ao ciclo termodinâmico do motor tal como 10 a turbina a gás penalizando assim bastante o rendimento global do motor assim como o nível máximo de potência disponível do motor. Esse modo de retirada de energia é também pouco eficaz pois a operação de aquecimento provoca um resfriamento indesejável consecutivo à expansão do ar na zona em questão.

No caos em que o motor é uma turbina a gás, um outro

inconveniente é que o degelo não é possível quando a turbina a gás funciona em modo desacelerado, o compressor não fornecendo nesse caso ar suficiente do qual a pressão, a temperatura e a vazão permitem o degelo. Compreende-se portanto que nessa caso, a operação de degelo é pouco eficaz por ocasião das 20 fases de aproximação preparatórias para a aterrissagem e por ocasião da fase de aterrissagem.

Um objetivo da presente invenção é propor um dispositivo de degelo que corrige os inconvenientes mencionados acima, que é pouco consumidor de energia ao mesmo tempo em que pode ser ativado mesmo quando a turbina funciona em modo desacelerado ou então está parada.

A invenção atinge seu objetivo pelo fato de que o dispositivo de degelo de acordo com a invenção compreende um recinto essencialmente metálico para a entrada de ar no motor, o dito recinto compreendendo uma primeira abertura para a entrada de ar dentro do recinto, a dita primeira abertura sendo munida de uma primeira grade essencialmente metálica, o recinto compreendendo por outro lado uma segunda abertura destinada a dirigir o ar para uma entrada do motor, o dito dispositivo compreendendo por outro lado meios para gerar dentro do recinto ondas eletromagnéticas que têm uma freqüência que permite fazer fundir orvalho congelado.

De preferência, o motor é uma turbina a gás e a entrada do motor é constituída por uma entrada de um estágio de compressão da turbina a gás.

De acordo com a invenção, as ondas geradas são enviadas para o recinto para fazer fundir o orvalho congelado contido dentro do recinto ou na primeira grade provocando assim uma excitação das moléculas de água que o compõem que acarreta a elevação de temperatura do orvalho congelado e portanto sua fusão.

Por outro lado, o orvalho congelado fixado na primeira grade essencialmente metálica é também aquecido pela grade essencialmente metálica que vê sua temperatura se elevar devido à interação entre as ondas eletromagnéticas e a natureza essencialmente metálica da primeira grade.

Por “essencialmente metálica”, entende-se no sentido da invenção que a peça em questão, notadamente o recinto ou a primeira grade, pode ser realizada em um material isolante, tal como um material compósito, que compreende um revestimento de superfície à base de metal.

As peças, quer dizer o recinto e as grades podem ser indiferentemente feitas em um material de natureza metálica ou essencialmente metálica.

Tais peças permitem vantajosamente reduzir a massa do dispositivo ao mesmo tempo em que favorecem o desempenho do dispositivo.

De fato, em função do ou dos materiais que constituem o revestimento de superfície, é possível definir nas paredes do recinto ou em pelo menos na primeira grade, zonas refletoras, zonas absorventes ou zonas parcialmente absorventes e parcialmente refletoras, de acordo com o efeito que se deseja obter.

A utilização de um material absorvente contribuirá para criar uma parede quente graças à absorção da energia eletromagnética e, ao contrário, um material que reflete a energia eletromagnética, tal como o ouro, contribuirá para criar uma parede fria.

Será possível também escolher um material que permite tanto a absorção da sondas quanto o desenvolvimento de correntes induzidas. Essa última propriedade do material apresenta nesse caso a vantagem de elevar a temperatura da parede na qual o orvalho congelado é suscetível de se formar a fim de evitar a formação do mesmo.

Disso resulta que o orvalho congelado poderá ser fundido graças ao efeito térmico devido à absorção das ondas eletromagnéticas pelo material absorvente e/ou pela excitação das moléculas de água do orvalho congelado graças às ondas eletromagnéticas, essas ondas sendo refletidas pelas paredes refletoras e/ou são ondas evanescentes.

Graças à presente invenção, é portanto vantajosamente possível se dispensar de reaquecer as pás de pré-rotação, graças a que não é mais necessário prever um dispositivo de degelo específico para essas pás; isso permite simplificar a arquitetura do motor.

Vantajosamente, a freqüência das ondas é substancialmente igual à freqüência de ressonância de uma molécula de água.

As ondas eletromagnéticas são portanto preferencialmente

microondas.

Como a freqüência das microondas é substancialmente igual à

freqüência de ressonância de uma molécula de água, as moléculas de água que constituem o orvalho congelado vibram entrando em ressonância de modo que elas absorvem amplamente a energia transportada pelas microondas, em conseqüência do que sua temperatura se eleva pelo menos até sua temperatura de fusão, fazendo assim o orvalho congelado fundir.

Graças à invenção, a fusão do orvalho congelado é obtida sem aquecer o volume de ar que transita pela entrada de ar.

Preferencialmente, a freqüência das ondas geradas é substancialmente igual a 2,45 GHz.

Realiza-se portanto um ganho considerável de energia em relação ao dispositivo da arte anterior no qual o ar sob pressão aquece o fluxo de ar que entra na turbina a gás.

Além disso, a primeira grade essencialmente metálica forma vantajosamente uma tela eletromagnética que degela, ao mesmo tempo em que filtra o ar que penetra na entrada de ar.

Assim, as microondas permitem muito vantajosamente fazer o orvalho congelado que pode ser formar na primeira grade essencialmente metálica fundir.

Igualmente, a primeira grade essencialmente metálica reflete

vantajosamente uma parte das ondas eletromagnéticas criando assim uma radiação eletromagnética com finada dentro do recinto.

Dito de outro modo, o orvalho congelado fixado na superfície da primeira grade será aquecido tanto pelo calor desprendido pelas correntes 20 elétricas que se desenvolvem na superfície dos filamentos das malhas da grade, quanto pela energia da onda absorvida pela grade na matéria da grade, quanto pela energia da onde reenviada pela radiação de cada filamento da grade, mas também pela energia da onde emitida pelos furos da grade.

Nesse modo de realização, o espaço delimitado entre a primeira grade e uma entrada do motor, de preferência, uma entrada do estágio de compressão da turbina a gás constitui uma zona de confinamento na qual se propagam as microondas.

De preferência mas não necessariamente, os meios para gerar microondas compreendem por outro lado um misturador de ondas. É possível no entanto se dispensar do mesmo, a função de misturador de ondas sendo nesse caso assegurada por elementos móveis do estágio de compressão da turbina a gás que redistribuem de modo homogêneo as ondas eletromagnéticas dentro do recinto. De acordo com uma outra variante 5 vantajosa, o misturador de ondas é dispensado a fim de concentrar as ondas eletromagnéticas em uma ou várias ondas que se deseja preferencialmente degelar.

De maneira vantajosa, os meios para gerar microondas compreendem pelo menos um magnétron, um clístron, ou qualquer tipo de 10 aparelho que permite assegurar essa função, esse último sendo de preferência ligado ao recinto por intermédio de um guia de onda, esse último desembocando de preferência dentro do recinto com o auxílio de uma só saída.

De acordo com uma variante vantajosa, o guia de onda apresenta uma forma circunferencial para repartir circunferencialmente as microondas dentro de um recinto que apresenta uma forma circunferencial.

De preferência, uma das extremidades do guia de onda compreende por outro lado uma placa, de preferência não magnética, permeável às microondas destinada a impedir que corpos estranhos subam no guia de ondas na direção do magnétron e perturbem seu funcionamento.

De acordo com uma variante especialmente vantajosa, a segunda abertura é provida de uma segunda grade essencialmente metálica que, de maneira preferencial, assegura uma tela eletromagnética em frente a um estágio de compressão do motor ao mesmo tempo em que realiza uma segunda filtragem do ar que entra no motor.

Nessa variante, o espaço delimitado entre as primeira e segunda grades essencialmente metálicas forma vantajosamente uma zona de confinamento na qual podem se propagar as microondas.

De preferência mas não exclusivamente, a segunda grade é configurada para se estender de maneira anular em tomo de um eixo do estágio de compressão do motor.

De maneira preferencial, o recinto forma um pleno.

No sentido da invenção, é preciso entender por pleno uma caixa da qual as paredes exteriores formam um “U”, a dita caixa compreendendo uma entrada de ar radial destinada a ser disposta de maneira anular em tomo de uma árvore de um estágio de compressão.

Isso é especialmente interessante quando a entrada de ar no motor é anular, o pleno permitindo assim guiar o fluxo de ar que entra na direção da entrada axial do estágio de compressão.

Nessa variante, o pleno constitui uma parte da zona de confinamento para as microondas.

De acordo com uma outra variante vantajosa pois pouco consumidora de energia, o recinto é constituído pelas primeira e segunda grades que são ligadas uma na outra por suas bordas respectivas, o recinto sendo nesse caso delimitado pelas ditas grades unidas por suas bordas respectivas.

A presente invenção também se refere a um turbomotor de helicóptero munido de uma entrada de ar que compreende um dispositivo de degelo de acordo com a invenção.

Vantajosamente, o dispositivo de degelo de acordo com a invenção é disposto a montante de um estágio de compressão do turbomotor.

A invenção será melhor compreendida e suas vantagens aparecerão melhor com a leitura da descrição que se segue, de um modo de 25 realização indicado a título de exemplo não limitativo. A descrição se refere à figura única anexa que mostra uma vista em corte de um turbomotor de helicóptero do qual a entrada de ar é munida de um dispositivo de degelo de acordo com a presente invenção.

Como já foi mencionado acima, a presente invenção pode ser utilizada em qualquer tipo de motores de combustão, notadamente nas turbinas a gás que equipam os turbomotores de aeronaves e os motores industriais.

Na figura 1, foi representado parcialmente em corte um motor de combustão interna constituído por um turbomotor 10 de helicóptero que compreende um gerador de gás 12 e uma turbina livre 14.

O gerador de gás 12 compreende uma árvore 16 na qual é montada uma roda de compressor centrífugo 18 disposta em um estágio de compressão 20, árvore 16 essa que leva também uma roda de turbina 22.

De maneira conhecida por outro lado, o turbomotor compreende uma entrada de ar 24 pela qual um fluxo de ar fresco que entra é guiado na direção do estágio de compressão 20. O ar comprimido é em seguida enviado para uma câmara de combustão 26.

A entrada de ar 24 do turbomotor compreende uma pluralidade de veios 28 em cada um dos quais o fluxo de ar fresco que entra penetra radialmente antes de ser guiado para entrar axialmente no estágio de compressão.

O turbomotor 10 representado nessa figura é munido de um dispositivo de degelo 50 de acordo com a presente invenção que permite degelar a entrada de ar 24 do turbomotor.

De acordo com a invenção, o dispositivo de degelo 50 compreende um recinto essencialmente metálico 52 para a entrada de ar nos veios de entrada 28 do turbomotor 10.

De maneira preferencial, o recinto é fixado em um cárter 30 do

helicóptero.

O recinto forma aqui um pleno 52 do qual o eixo coincide substancialmente com aquele da árvore 16 do gerador a gás 12 e do qual a altura é pelo menos igual ao comprimento axial dos veios 28.

O pleno 52 compreende uma porção que se estende radialmente e da qual a extremidade forma uma primeira abertura 54 radial que desemboca para o exterior do turbomotor IOe pela qual o ar fresco entra no dispositivo de degelo 50.

Como é visto na figura, a primeira abertura 54 é vantajosamente munida de uma primeira grade essencialmente metálica 56 que permite notadamente filtrar o ar que entra dentro do recinto 52.

O recinto 52 compreende por outro lado uma segunda abertura 58 destinada a dirigir o ar fresco para o estágio de compressão 20 via os veios 28, essa segunda abertura 58 se estendendo nesse caso de maneira anular em tomo do eixo da árvore 16 do gerador de gás 12.

Em uma variante vantajosa representada na figura 1, a segunda abertura 58 é munida de uma segunda grade essencialmente metálica 60 que é, ela também, anular.

Como será explicado abaixo, o dispositivo de degelo 50 de acordo com a invenção pode funcionar na ausência de uma segunda grade 60.

Para melhorar ainda mais a segurança do turbomotor 10, é possível prever que as grades 56 e 60 apresentem, em um plano de corte axial, uma forma em cabeça de cogumelo graças à qual ar pode entrar pelas bordas axiais de cada uma das grades apesar da obturação pelo orvalho congelado de sua extremidade radial em caso de pane do gerador de ondas.

De acordo com a invenção, o dispositivo de degelo 50 compreende por outro lado meios 62 para gerar microondas dentro do recinto essencialmente metálico 52 e mais especialmente no espaço A delimitado pelas primeira e segunda grades essencialmente metálicas.

Os ditos meios compreendem de preferência um magnétron 62 provido de um guia de onda 64.

De acordo com a invenção, a freqüência das microondas geradas é substancialmente igual à freqüência de ressonância de uma molécula de água, quer dizer cerca de 2,45 GHz. Assim, esse espaço A constitui uma zona de confinamento para as microondas, quer dizer que elas podem ricochetear nas bordas do espaço A.

Quando o turbomotor 10 evolui em condição de formação de 5 orvalho congelado, é revelado que o orvalho congelado tem tendência para se formar na zona A.

Em uma ampla medida, é constatado que o orvalho congelado se forma na primeira grade 56 e, em uma menor medida na segunda grade 60.

De acordo com a presente invenção, as microondas geradas no espaço A excitam as moléculas de água que constituem o orvalho congelado, que entram então em ressonância, o que tem como conseqüência aquecer as mesmas a uma temperatura superior a seu ponto de fusão na seqüência do que o orvalho congelado funde.

Além disso, como as primeira e segunda grades 56, 60 são essencialmente metálicas, as microondas dão origem a diversas interações das ondas eletromagnéticas nas malhas das grades, notadamente a radiação que tem como conseqüência redirigir as ondas para o orvalho congelado. Por outro lado, as interações das ondas eletromagnéticas nas malhas das grades e/ou na matéria que constitui as ditas grades, tais como a absorção da energia eletromagnética e/ou o aparecimento de correntes induzidas que circulam nas malhas das grades 56, 60, têm como conseqüência elevar a temperatura das malhas e, em conseqüência disso, impedir vantajosamente a formação de orvalho congelado nas primeira e segunda grades 56, 60 ou fazer fundir o orvalho fixado nessas malhas. Um interesse maior da invenção é que não é necessário aquecer toda a vazão de ar que transita dentro do espaço A nem mesmo toda a superfície exposta a essa vazão de ar, o que necessitaria uma energia muito maior do que aquela que o magnétron 62 fornece na presente invenção.

De fato, o magnétron é uma fonte de energia de baixo nível de entropia comparada com a utilização de ar comprimido que provém da saída do estágio de compressão.

Um outro interesse da presente invenção é poder utilizar grades das quais as malhas são mais finas do que aquelas das grades utilizadas 5 tradicionalmente, o que permite melhorar a filtragem do ar que entra. De fato, antes não era possível prever malhas de pequenos tamanhos em razão do risco elevado de obturação da grade pelo orvalho congelado, essa obturação se realizando evidentemente muito mais rapidamente quanto menores são as malhas.

Assim, graças à presente invenção, é possível degelar a entrada

de ar 24 do turbomotor 12 mesmo quando esse último está parado ou funciona em modo desacelerado, enquanto que nos dispositivos da arte anterior, o degelo com o motor parado é realizado manualmente.

De maneira opcional, é vantajoso utilizar uma antena de 15 descarga (não representada aqui) para proteger os estágios de compressão de uma eventual formação de plasma em caso de disfunção do dispositivo de degelo. De fato, em certos casos, uma pá de compressor pode se comportar como uma antena, entre a base e o topo da qual pode se criar um campo elétrico que provoca a ionização do ar e portanto a geração de um plasma 20 suscetível de danificar a extremidade da pá.

De acordo com uma variante vantajosa, uma sonda de temperatura que serve para medir a temperatura da vazão de ar que entra assegura a função de antena de descarga.

De acordo com uma variante vantajosa, o dispositivo de degelo 50 compreende por outro lado um sistema de regulação do magnétron 62 que sujeira seu consumo elétrico em função da necessidade de degelo.

De acordo com um outro modo de realização, o dispositivo de degelo de acordo com a invenção não compreende uma segunda grade essencialmente metálica. Nesse caso, a zona de confinamento das microondas é delimitada entre a primeira grade essencialmente metálica 56 e a roda de turbina 18 ou por qualquer outro elemento disposto no estágio de compressão próprio para desempenhar o papel de escudo eletromagnético.

Por outro lado, o turbomotor 10 compreende além disso pás de pré-rotação 70, 72, conhecidas por outro lado, dispostas a montante da roda de compressor 18 na extremidade a jusante dos veios 28.

De maneira conhecida, essas pás de pré-rotação permitem orientar o fluxo de ar que entra na roda de compressor 18.

De acordo com um aspecto vantajoso da invenção, aspas de pré-rotação e suas articulações são realizadas em um material essencialmente permeável às ondas eletromagnéticas de maneira a aumentar o volume e as superfícies submetidos ao efeito das microondas.

Por “essencialmente permeável”, entende-se no sentido da invenção que a peça em questão, notadamente as pás de pré-rotação e suas articulações, podem ser realizadas em um material permeável às microondas tal como um compósito, que inclui uma parte metálica refletora tal como um revestimento de superfície à base de metal.

Um interesse da presente invenção é portanto poder degelar as pás de pré-rotação sem ter que utilizar um dispositivo de degelo específico por ventilação interna tais como aqueles que são encontrados habitualmente em certos turbomotores.

Graças a essa invenção, é possível portanto vantajosamente simplificar a arquitetura do estágio de compressão do turbomotor ao mesmo tempo em que se previne a formação de orvalho congelado.

Claims (12)

1. Dispositivo de degelo (50) de uma entrada de ar (24) de um motor de combustão interna, tal como uma turbina a gás (10) que equipa um turbomotor de helicóptero, caracterizado pelo fato de que ele compreende um recinto (52) essencialmente metálico para a entrada de ar (24) no motor, o dito recinto compreendendo uma primeira abertura (54) para a entrada de ar dentro do recinto (24), a dita primeira abertura (54) sendo munida de uma primeira grade essencialmente metálica (56), o recinto compreendendo por outro lado uma segunda abertura (58) destinada a dirigir o ar para uma entrada do motor, o dito dispositivo compreendendo por outro lado meios (62, 64) para gerar dentro do recinto ondas eletromagnéticas que têm uma freqüência que permite fazer fundir orvalho congelado.

2. Dispositivo de degelo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a freqüência das ondas é substancialmente igual à freqüência de ressonância de uma molécula de água.

3. Dispositivo de degelo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os meios para gerar ondas compreendem um magnétron (62).

4. Dispositivo de degelo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os ditos meios compreendem por outro lado um guia de onda (64) que liga os meios para gerar ondas (62) para o recinto (52).

5. Dispositivo de degelo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a segunda abertura (5) é provida de uma segunda grade essencialmente metálica (60).

6. Dispositivo de degelo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda grades (56, 60) formam uma tela eletromagnética de degelo.

7. Dispositivo de degelo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que o recinto (52), a primeira grade (56) e/ou a segunda grade (60), é realizado em um material revestido de uma camada feita de material essencialmente metálico.

8. Dispositivo de degelo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o recinto (52) forma um pleno.

9. Dispositivo de degelo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o recinto (52) constitui uma zona de confmamento para as ondas eletromagnéticas.

10. Dispositivo de degelo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que ele compreende pelo menos uma antena de descarga.

11. Turbomotor de helicóptero (10) munido de uma entrada de ar caracterizado pelo fato de que ele compreende um dispositivo de degelo (50) de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 10.

12. Turbomotor de helicóptero de acordo com a reivindicação11, caracterizado pelo fato de que ele compreende por outro lado pás de prérotação dispostas a montante de uma roda de compressor, e pelo fato de que as ditas pás são realizadas em um material essencialmente permeável às ondas eletromagnéticas.