BRPI0809223A2 - Sistema de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos de um conjunto propulsivo de aeronave - Google Patents

Sistema de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos de um conjunto propulsivo de aeronave Download PDF

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Description

SISTEMA DE RESFRIAMENTO E DE REGULAÇÃO EM TEMPERATURA DE
EQUIPAMENTOS DE UM CONJUNTO PROPULSIVO DE AERONAVE
A presente invenção refere-se a um sistema de resfriamento e regulação em temperatura de equipamentos de um conjunto propulsivo de aeronave, o conjunto propulsivo incorporando o sistema e a aeronave ao qual é equipado.
Um conjunto propulsivo de aeronave tal como um turboreator comporta vários sistemas necessitando de serem resfriados ou mantidos a uma temperatura de funcionamento
ótima como o motor de turbina e os equipamentos elétricos como o gerador elétrico da aeronave.
Além disso, é necessário limitar a temperatura do óleo de lubrificação das partes móveis do motor de turbina e evacuar o calor rejeitado pelos rolamentos e as peças em
fricção.
Os sistemas tradicionalmente resfriados ou regulados na temperatura por um circuito de resfriamento ao nível do motor são os geradores elétricos acoplados ao motor (motor de turbina) e as partes em movimento do motor.
2 0 Conhece-se além dos dois princípios de resfriamento
geralmente utilizados ao nível dos conjuntos propulsivos.
O primeiro consiste em um resfriamento por troca de calor óleo/ar, um trocador de calor sendo disposto em um circuito de derivação captando o ar no fluxo secundário
2 5 frio do motor.
Este primeiro princípio prejudica a eficácia do conjunto propulsivo devido à captação de ar sobre o motor e/ou a introdução de uma perda de carga aerodinâmica suplementar. Para limitar esta penalidade, é correntemente
3 0 admitido integrar ao trocador uma válvula de regulação da vazão de ar captada ao motor. No entanto, estas válvulas de regulação degradam a confiabilidade global do sistema de resfriamento e são a origem de numerosos problemas de funcionamento (aparecimento de fissuras sobre as válvulas e 5 os condutos devido às solicitações vibratórias aerodinâmicas, aparecimento de defeitos do sistema de controle da válvula, etc.).
Além disso, este primeiro princípio prejudica o tratamento acústico da superfície interna do fluxo 10 secundário. De fato, quanto maior o tamanho do trocador a integrar e mais entrada de ar (e a saída de ar se o fluxo de ar captado é rejeitado no fluxo secundário) será de dimensões maiores. Portanto, a entrada de ar e a saída de ar não possuem o tratamento acústico e consequentemente 15 procura-se manter suas dimensões reduzidas para lutar contra o barulho dos motores.
A presença do trocador é desfavorável de modo que se opõe a redução das dimensões da entrada e saída de ar.
O segundo princípio é utilizar o combustível que alimenta o motor como fluido de resfriamento e, neste caso, utiliza-se um ou vários trocadores Ôleo combustível/óleo, tradicionalmente do tipo trocador de placas ou trocador de tubos que são integrados no conjunto propulsivo.
Estes trocadores permitem dissipar a energia calorífica no óleo combustível utilizado pelo motor.
No entanto, o óleo combustível não deve ser aquecido além de uma certa temperatura (-150°C) para não provocar o risco de carbonização. É por isso que certos conjuntos propulsivos captam nos reservatórios do avião uma 3 0 quantidade de óleo combustível largamente mais importante que a necessidade própria do motor para a combustão, e reinjeta nos reservatórios o óleo combustível aquecido não utilizado.
Como para os dispositivos de trocador ar/óleo, os trocadores óleo combustível/óleo não podem geralmente estar dispostos perto dos dispositivos a serem resfriados e ainda os circuitos de óleo devem ser prolongados entre os dispositivos a serem resfriados e os trocadores.
Em conclusão, qualquer que seja o princípio utilizado, os dispositivos a serem resfriados, ou fontes de calor, são resfriados e regulados por meio de seus próprios circuitos de lubrificação o que implica prolongar este circuito para os trocadores afastados destas fontes de calor.
Além disso, os circuitos de óleo têm na técnica anterior uma dupla função de lubrificação e de resfriamento.
Devido a esta dupla função, os circuitos de óleo dos diferentes componentes a serem resfriados devem imperativamente ser segregados para limitar os riscos de defeitos comuns (contaminação de um circuito de óleo 20 provocando a contaminação de outro circuito, fuga de um circuito de óleo provocando a perda total dos circuitos, etc.) o que aumenta ainda os comprimentos e número de tubos de circulação de óleo.
Além disso, na medida em que cada circuito de 25 resfriamento é dedicado a um equipamento preciso (motor ou gerador elétrico), cada circuito deve possuir pelo menos um dispositivo de resfriamento dimensionado para o caso de resfriamento mais obrigatório (exemplo: consumo elétrico máximo nas condições de "tempo quente" com o avião ao solo). 3 0 Tendo em conta que cada circuito de resfriamento não sofre necessariamente o caso mais obrigatório nas mesmas fases de voo, os dispositivos de resfriamento quase nunca são utilizados a 100% ao mesmo tempo. Há então uma sobrecapacidade de resfriamento instalada sobre o conjunto 5 propulsivo que, na medida ou na regra de segregação deve ser respeitado, prejudicando os desempenhos do conjunto propulsivo e aumentando sua massa e seu volume.
Além disso, o fato que nos dispositivos conhecidos, o circuito de resfriamento constitui em paralelo o circuito de lubrificação das fontes de calor provoca várias restrições de integração do referido circuito. Primeiramente, na medida em que o circuito de óleo deve ser ligado a fonte de calor aos diferentes trocadores que não estão necessariamente próximos, o volume, o comprimento e a complexidade do circuito de óleo impõe perdas de carga no circuito e um volume de óleo grande. Além disso, a circulação de óleo em torno do motor aumenta os riscos de fuga, de contaminação e de fogo do conjunto propulsivo, o que se traduz em uma certa vulnerabilidade do sistema resfriamento e do conjunto propulsivo associado.
Por último, o óleo de lubrificação não é o líquido mais apropriado para o transporte de energia calorífica devido sua viscosidade alta e sua capacidade calorífica não ótima e o fato dos circuitos de resfriamento de cada fonte 25 de calor serem resfriados e regulados na temperatura por meio do seu próprio circuito de lubrificação impõe que este último seja mais curto possível para limitar as perdas de carga e os riscos de fugas. É então pouco previsível conectar o ou os sistemas resfriamento dos diversos 3 0 componentes do conjunto propulsivo e ainda conectá-los com os do avião. Assim, nenhuma sinergia entre as capacidades de resfriamento do avião e do conjunto propulsivo bem como entre as fontes de calor do avião e do conjunto propulsivo é possível, o que impede qualquer escolha dos dispositivos 5 térmicos. Tais sinergias autorizariam uma otimização mais potenciada dos sistemas de resfriamento.
Um exemplo de sistema da técnica anterior é representado na figura 1.
Neste exemplo, o circuito 11 de óleo de lubrificação 10 corre na nacele do motor para atingir os meios de resfriamento 12, 13 do tipo trocador de óleo combustível/óleo, o circuito de óleo de lubrificação 14 do gerador elétrico se estende até os meios de resfriamento 15 do tipo óleo combustível/óleo dispostos em um circuito de 15 recirculação de óleo combustível de alimentação de motor.
A figura 2 igualmente da técnica anterior representa um motor de aeronave 1 comportando uma nacele 2 e um conjunto propulsivo 3 e fornecido de meios trocadores 6, 8 ar/óleo dispostos nos condutos 7, 9 e 4, 5 derivando de uma parte do fluxo secundário para resfriar os trocadores.
A presente invenção tem principalmente por objetivo minimizar a circulação do óleo de lubrificação dos equipamentos ao exterior dos equipamentos a serem resfriados e separar a função lubrificação da função resfriamento.
Permite, além disso, uma escolha dos meios de resfriamento entre diversos equipamentos adicionando as capacidades de resfriamento de cada componente e permitir as trocas de calor entre as fontes dissipativas e em 3 0 particular as fontes dissipativas cujas necessidades de resfriamento são diferentes de acordo com as fases de funcionamento da aeronave.
Para isso, a presente invenção prevê um sistema de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos de um conjunto propulsivo de aeronave, comportando os primeiros meios de troca de calor entre os circuitos de lubrificação de pelo menos dois dos referidos equipamentos e um fluido refrigerante contido em um circuito fechado, os segundos meios de troca de calor entre o fluido refrigerante e pelo menos um fluido de resfriamento, os primeiros meios de troca de calor estando dispostos localmente ao nível de cada um dos referidos equipamentos, os segundos meios de troca de calor estando distantes dos referidos primeiros meios, o circuito fechado circulando entre pelo menos dois dos equipamentos e dos referidos segundos meios.
A invenção refere-se além de um conjunto propulsivo de aeronave comportando pelo menos tal sistema de resfriamento Outras características e vantagens da invenção serão aparentes à leitura do relatório descritivo que segue de exemplos não limitativos de realização desta invenção em referência aos desenhos que representam:
na figura 1: um exemplo de sistema de resfriamento de equipamentos da técnica anterior;
na figura 2: um exemplo de conjunto propulsivo de
aeronave fornecida de trocadores ar/fluido;
na figura 3: um primeiro exemplo esquemático de realização de um sistema de acordo com a invenção;
na figura 4: um segundo exemplo de realização de um sistema de acordo com a invenção; na figura 5: um exemplo de realização de um sistema redundante de acordo com a invenção;
na figura 6: um exemplo esquemático do sistema de resfriamento de acordo com a invenção comportando uma interface com equipamentos externos ao conjunto propulsivo.
Os exemplos de sistemas de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos 10, 23 de um conjunto propulsivo 1 de aeronave de acordo com a presente invenção são representados nas figuras 3 a 6.
0 exemplo cujo esquema ê representado na figura 1 é o
esquema básico do sistema da invenção que comporta os primeiros meios de troca de calor 21 entre os circuitos de lubrificação 22a, 22b de pelo menos dois equipamentos que são primeiramente o gerador elétrico 10 do conjunto propulsivo e o motor de turbina 23.
Estes dois equipamentos têm necessidades importantes em lubrificação e restrições de funcionamento elevadas após o gerador elétrico 10 ter o papel de fornecer a potência elétrica da aeronave e o motor de turbina de fornecer o impulso deslocando este último.
Para otimizar o resfriamento destes dois equipamentos sem prejudicar sua lubrificação, a presente invenção dispõe mais perto destes equipamentos os primeiros meios de troca de calor 21 e confia a um fluido refrigerante contido em um 25 circuito fechado 24 o transporte das calorias a serem evacuadas pelos segundos meios de troca de calor 25, 26 entre o fluido refrigerante e pelo menos um fluido de resfriamento 27, 28.
Assim, os primeiros meios de troca de calor 21 são 3 0 dispostos localmente ao nível de cada um dos referidos eQuipamentos 10, 23 e os segundos meios de troca de calor 25, 26 são dispostos mais perto do lugar onde circula o fluido de resfriamento, os segundos meios de troca de calor 25, 26 estando assim distantes dos referidos primeiros meios 21.
Um primeiro benefício da invenção é que, o circuito fechado 24 circulando entre pelo menos dois dos equipamentos 10, 23 e os referidos segundos meios 25, 26, os equipamentos compartilham os meios de resfriamento. Além 10 disso, os primeiros meios podem permanecer mais perto dos equipamentos e os segundos meios podem ser dispostos nos lugares mais propícios ao resfriamento sem prolongar os circuitos de lubrificação dos equipamentos.
Os primeiros meios de troca de calor 22a, 22b são trocadores de fluido refrigerante/óleo associados aos equipamentos 10, 23.
O fluido refrigerante é assim um fluido adaptado a esta função.
De preferência, o fluido refrigerante será não tóxico, 20 não inflamável, de baixa viscosidade e de boa capacidade calorífica. A título de exemplo não limitativo, o fluido refrigerante poderá ser de água pura ou misturada com um ou vários aditivos melhorando suas propriedades, por exemplo, água adicionada de glicol para evitar a solidificação do 25 fluido refrigerante no caso de muito baixa temperatura de utilização.
De acordo com o exemplo, o circuito de fluido refrigerante transita por vários trocadores de calor do tipo líquido/líquido, cada trocador sendo específico a uma fonte de calor a resfriar e permitindo a troca de energia calorífica entre o fluido refrigerante do circuito de resfriamento e o óleo de lubrificação desta fonte de calor.
Estes trocadores de calor entre as fontes quentes e o circuito de fluido refrigerante poderão estar situados seja 5 perto das fontes quentes, seja sobre a parede ou nas fontes quentes, seja em qualquer outro lugar do conjunto propulsivo podendo apresentar um interesse em termo de integração do sistema.
Um exemplo de realização não limitativo é posicionar no reservatório de óleo de lubrificação da referida fonte quente um trocador de calor em contato com o óleo.
A troca de calor é então diretamente efetuada na fonte quente e não necessita, portanto do circuito de lubrificação transitando fora do envelope da referida fonte e progredindo ao redor do conjunto propulsivo.
Para fazer circular o fluido refrigerante, o circuito fechado 24 comporta uma bomba 29 de circulação do fluido refrigerante.
Sempre de acordo com o exemplo da figura 3, os
segundos meios de troca de calor compreendem pelo menos um trocador de fluido refrigerante/ar 25 em contato com pelo menos uma parte 28 do fluxo de ar secundário deslocando-se entre a nacele e o motor do conjunto propulsivo.
Este trocador pode estar especificamente disposto no lugar de um trocador óleo/ar da técnica anterior como os representados na figura 2.
Alternativamente ou em paralelo, os segundos meios de troca de calor podem compreender pelo menos um trocador de fluido refrigerante/óleo combustível 26 disposto no 3 0 circuito de alimentação de combustível 27 do conjunto propulsivo.
O circuito de alimentação em combustível pode neste caso comportar como na técnica anterior uma recirculação do óleo combustível para o reservatório para limitar o crescimento de temperatura causado pela troca de calor.
Como visto acima, os equipamentos principais a serem resfriados compreendem pelo menos um gerador elétrico 10 e o motor de turbina 23 do conjunto propulsivo.
Na figura 6, a invenção é por sua vez aplicada especificamente no resfriamento de outros elementos do conjunto propulsivo e especificamente aos dispositivos de controle dos inversores de impulso 40 e às engrenagens de motor 41.
Isto é tornado possível pela utilização de um circuito 24 passando entre os equipamentos ao invés de ter, para cada equipamento um circuito de lubrificação prolongado para os trocadores.
O sistema representado na figura 4 é perfeccionado em que ao nível de pelo menos um dos primeiros meios de troca 20 de calor 21, o circuito fechado comporta um dispositivo de regulação adaptado a regular a quantidade de fluido refrigerante admitido neste primeiro meio de troca de calor 21.
O dispositivo de regulação compreende uma válvula 3 0 distribuindo o fluido refrigerante para o primeiro trocador
21 ou para um conduto de curto-circuito 31 de pelo menos em referido primeiro meio de troca de calor.
Um dispositivo de instrução (não representado sobre a figura 4) pilota a válvula 30 em função de parâmetros de 3 0 regulação dados, tais como a temperatura externa, a temperatura do óleo e a fase de funcionamento do dispositivo.
Além disso, um dispositivo 34 de retorno de fluido refrigerante permite voltar ao reservatório de fluido o 5 excedente de vazão controlado pelo dispositivo de regulação.
A figura 5 representa um sistema de resfriamento de um conjunto propulsivo que comporta pelo menos dois sistemas de resfriamento descritos acima, os dois sistemas sendo independentes e segregados.
Um primeiro sistema comporta um primeiro circuito 24a
que distribui um primeiro trocador óleo/fluido 21a de um primeiro gerador elétrico do conjunto propulsivo e um primeiro trocador óleo/fluido 21c do motor de turbina e que troca as calorias transmitidas com um primeiro segundo 15 trocador do tipo fluido/ar 25a e um primeiro segundo trocador do tipo fluido/óleo combustível 26a.
A circulação do fluido refrigerante deste primeiro circuito é assegurada por uma primeira bomba 29a.
Um segundo sistema comporta um segundo circuito 24b 20 que distribui um segundo trocador óleo/fluido 21b de um segundo gerador elétrico do conjunto propulsivo e um segundo trocador óleo/fluido 2Id do motor de turbina e que troca as calorias transmitidas com um segundo segundo trocador do tipo fluido/ar 25b e um segundo segundo 25 trocador do tipo fluido/óleo combustível 26b.
A circulação do fluido refrigerante deste segundo circuito é assegurada por uma segunda bomba 2 9b.
Para evitar qualquer risco de fuga comum ou ruptura dos dois circuitos no caso de choque ou de impacto de um 3 0 pássaro, por exemplo, os dois circuitos são segregados especificamente pelo seu afastamento um do outro, por exemplo, dispondo-os diametralmente opostos em relação ao eixo do conjunto propulsivo.
Neste exemplo, é necessário notar que os dois sistemas de resfriamento são dispostos de modo a se completar para assegurar uma redundância ao nivel dos equipamentos e em particular ao nível do motor de turbina 23 para o qual os circuitos atravessam os trocadores distintos.
Ainda, no caso de problema sobre um dos circuitos, o outro permanece operacional o que permite continuar a utilizar o conjunto propulsivo, certamente limitando a potência do motor de turbina para limitar seu aquecimento.
0 uso de um circuito de fluido refrigerante permite além de utilizar o fluido refrigerante para aquecer os 15 elementos do conjunto propulsivo e em particular, de acordo com um modo de realização específico da invenção, o circuito fechado 24 distribui além de pelo menos um módulo de aquecimento anti-geada 34 do conjunto propulsivo.
Este módulo pode, de maneira conhecida em si, ser disposto na borda da entrada de ar do motor.
No exemplo da figura 6, o sistema além de se ligar a uma rede de fluido refrigerante 32 servindo aos equipamentos da aeronave externos ao conjunto propulsivo através de uma interface 33.
Tais equipamentos podem ser equipamentos como os
equipamentos de degelo das asas utilizando o calor transmitido pelo fluido refrigerante, os equipamentos necessitando de um resfriamento, tais como o dispositivo de condicionamento de ar, a ligação entre o sistema e os 3 0 trocadores do sistema de condicionamento de ar permitindo lissipar a energia calorífica do sistema de condicionamento Ie ar utilizando as capacidades de resfriamento do conjunto propulsivo.
De fato, durante estas fases de espera ao solo, se os 5 conjuntos propulsivos estão em funcionamento, seria completamente possível dissipar no fluxo de ar atravessando os motores de turbina a energia calorífica procedente do condicionamento de ar através das capacidades de resfriamento disponíveis dos sistemas de resfriamento dos 10 conjuntos propulsivos.
A invenção não é limitada aos exemplos descritos e englobada qualquer alternativa entrando no campo das reivindicações.

Claims (10)

1. Sistema de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos (10, 23) de um conjunto propulsivo (1) de aeronave, caracterizado pelo fato de que comporta os primeiros meios de troca de calor (21) entre os circuitos de lubrificação (22a, 22b) de pelo menos dois dos referidos equipamentos e um fluido refrigerante contido em um circuito fechado (24), os segundos meios de troca de calor (25, 26) entre o fluido refrigerante e pelo menos um fluido de resfriamento (27, 28), os primeiros meios de troca de calor (21) estando dispostos localmente ao nível de cada um dos referidos equipamentos (10, 23), os segundos meios de troca de calor (25, 26) estando distantes dos referidos primeiros meios (21), o circuito fechado (24) circulando entre pelo menos dois dos equipamentos (10, 23) e dos referidos segundos meios (25, 26).
2. Sistema de resfriamento e de regulação em temperatura, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiros meios de troca de calor (22a, 22b) são os trocadores de fluido refrigerante/óleo associados aos equipamentos (10, 23).
3. Sistema de resfriamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os segundos meios de troca de calor compreendem pelo menos um trocador de fluido refrigerante/ar (25) em contato com pelo menos uma parte (28) do fluxo de ar secundário se deslocando entre a nacele e o motor do conjunto propulsivo.
4. Sistema de resfriamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que os segundos meios de troca de calor compreendem pelo menos um trocador de fluido refrigerante/óleo combustível (26) disposto no circuito de alimentação de combustível (27) do conjunto propulsivo.
5. Sistema de resfriamento, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que os equipamentos compreendem pelo menos um gerador elétrico (10) e o motor de turbina (23) do conjunto propulsivo.
6. Conjunto propulsivo (1) de aeronave caracterizado pelo fato de que comporta pelo menos um sistema de resfriamento conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5.
7. Conjunto propulsivo de aeronave, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que comporta pelo menos dois sistemas de resfriamentos conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5 os dois sistemas sendo independentes e segregados.
8. Aeronave comportando pelo menos um conjunto propulsivo munido de pelo menos um sistema de resfriamento conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o circuito fechado (24) distribui além de pelo menos um módulo de aquecimento anti-geada (34) do conjunto propulsivo.
9. Aeronave comportando pelo menos um conjunto propulsivo munido de pelo menos um sistema de resfriamento conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3,4 ou 5, caracterizada pelo fato de que o referido sistema está ligado a uma rede de fluido refrigerante (32) servindo aos equipamentos da aeronave externos ao conjunto propulsivo.
10. Aeronave, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o circuito de fluido refrigerante está ligado aos trocadores do sistema de condicionamento de ar permitindo dissipar a energia calorífica do sistema de condicionamento de ar através das capacidades de resfriamento do conjunto propulsivo.
BRPI0809223-0A 2007-03-28 2008-03-25 Sistema de resfriamento e de regulação em temperatura de equipamentos de um conjunto propulsivo de aeronave BRPI0809223A2 (pt)

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