BRPI0903399A2 - método e sistema para prover arrefecimento e força - Google Patents
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Abstract
MéTODO E SISTEMA PARA PROVER ARREFECIMENTO E FORçA. é provido um sistema (200) para prover arrefecimento e força. O sistema inclui um conjunto de turbina (204) que inclui uma unidade de arrefecimento (226) incluindo uma primeira turbina (248) giratoriamente acoplada a um gerador (250) por meio de um primeiro eixo (252). O conjunto de força inclui adicionalmente uma unidade de força (228) incluindo uma segunda turbina (234) giratoriamente acoplada a um compressor por meio de um segundo eixo (236), a unidade de força acoplada em comunicação de fluxo com a unidade de arrefecimento de tal forma que o primeiro eixo e o segundo eixo são independentemente giratórios um em relação ao outro.
Description
"MÉTODO E SISTEMA PARA PROVER ARREFECIMENTO E FORÇA"
FUNDAMENTO DA INVENÇÃO
O campo desta invenção refere-se, em geral, a um método e um sistema para pro-ver arrefecimento e força e, mais particularmente, a um sistema de arrefecimento e forçaintegrado para uma aeronave.
Muitos sistemas de arrefecimento e força de aeronave conhecidos requerem san-gria de ar de um motor propulsor da aeronave para acionar numerosos subsistemas inde-pendentes que fornecem ou arrefecimento ou força para a aeronave. Emtretanto, o uso desangria de ar diminui eficiência de motor aumentando o consumo e carregamento decombustível do motor. Adicionalmente, o uso de múltiplos subsistemas independentesacrescentam peso e volume à aeronave, o que também resulta em aumento de consumo decombustível.
Como tal, um sistema integrado que provê arrefecimento e força para umaaeronave sem uso extensivo de sangria de ar de um motor propulsor seria benéfico paraaumentar eficiência de motor e reduzir consumo de combustível.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
Em um aspecto, é provido um método para prover arrefecimento e força. O métodoinclui prover uma unidade de arrefecimento que inclui uma primeira turbina giratoriamenteacoplada a um gerador por meio de um primeiro eixo, e prover uma unidade de força queinclui uma segunda turbina giratoriamente acoplada a um compressor por meio de um se-gundo eixo. O método inclui adicionalmente acoplar a unidade de força em comunicação defluxo com a unidade de arrefecimento para formar um conjunto de turbina, caracterizadopelo fato de que o primeiro eixo e o segundo eixo são independentemente giratórios um emrelação ao outro.
Em outro aspecto, é provido um sistema para prover arrefecimento e força. O sis-tema inclui um conjunto de turbina que inclui uma unidade de arrefecimento incluindo umaprimeira turbina giratoriamente acoplada a um gerador por meio de um primeiro eixo. O sis-tema inclui adicionalmente uma unidade de força incluindo a segunda turbina giratoriamenteacoplada a um compressor por meio de um segundo eixo. A unidade de força é acopladaem comunicação de fluxo com a unidade de arrefecimento, de tal forma que o primeiro eixoe o segundo eixo são independentemente giratórios um em relação ao outro.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 é uma vista esquemática de um motor de turbina a gás; e
A figura 2 é um fluxograma esquemático de um sistema de arrefecimento e forçapara uso com o motor de turbina a gás mostrado na figura 1.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A descrição detalhada a seguir ilustra um exemplo de sistema de arrefecimento eforça, por meio de exemplo e não com intenção de limitação. A descrição permite que umtécnico com conhecimento comum no assunto reproduza e use a invenção, e a descriçãodescreve diversas formas de realização, adaptações, variações, alternativas e usos da in-venção, incluindo o que se acredita atualmente ser a melhor forma de realização da inven-ção. A invenção é descrita neste documento como sendo aplicada a uma forma de realiza-ção preferida, nomeadamente, um sistema de arrefecimento e força para uso em uma aero-nave. Entretanto, é contemplado que esta invenção possui aplicação geral de prover arrefe-cimento e força em uma ampla gama de sistemas e em uma variedade de aplicações indus-triais e/ou de consumidor. Como usado neste documento, o termo "ar" refere-se a qualquergás ou combinação de gases, e não se limita à combinação de gases atmosféricos da Terracomumente designados como "ar".
A fig. 1 é uma vista esquemática de um exemplo de núcleo do motor 100 (por e-xemplo, um motor com turbina a gás) para uso na propulsão de uma aeronave. O núcleo domotor inclui um conjunto de fan 102, um compressor de alta pressão 104 e um combustor106. O núcleo do motor 100 também inclui uma turbina de alta pressão 108 e uma turbinade baixa pressão 110. Em operação, o ar circula através do conjunto de fan 102 e ar com-primido é fornecido do conjunto de fan 102 para o compressor de alta pressão 104. O araltamente comprimido é entregue ao combustor 106. O fluxo de ar proveniente do combus-tor 106 aciona as turbinas rotativas 108 e 110 e sai do núcleo do motor 100 através de umsistema de escape 118. No exemplo de forma de realização, o núcleo do motor 100 (porexemplo, compressor de alta pressão 104) é acoplado em comunicação de fluxo com umsistema integrado de arrefecimento e força 200 (mostrado na fig. 2), como descrito abaixo.
A fig. 2 é um fluxograma esquemático de sistema de arrefecimento e força 200. Osistema 200 inclui um mecanismo de arranque 202, um conjunto de turbina 204, um conjun-to de arrefecimento 206 e um conjunto elétrico 208. O mecanismo de arranque 202 é aco-plado em comunicação de fluxo entre o núcleo do motor 100 e o conjunto de turbina 204através de uma primeira válvula de fornecimento 210 e/ou entre uma fonte de ar comprimido212 e o conjunto de turbina 204 através de uma segunda válvula de fornecimento 214. Noexemplo de forma de realização, a fonte de ar comprimido 212 é um vaso de pressão pneu-mático (por exemplo, um tanque de ar montado em um carrinho transportável). Alternativa-mente, a fonte de ar comprimido 212 pode ser qualquer fonte adequada de ar comprimidoque possibilite ao sistema 200 funcionar conforme descrito neste documento. No exemplode forma de realização, a primeira válvula de fornecimento 210 e a segunda válvula de for-necimento 214 são válvulas de "liga/desliga" (por exemplo, válvulas de esferas), que facili-tam permitir que o ar comprimido circule do núcleo do motor 100 e/ou da fonte de ar com-primido 212, respectivamente, em direção ao mecanismo de arranque 202.
No exemplo de forma de realização, o mecanismo de arranque 202 inclui um dispo-sitivo de controle de pressão 216, um válvula de fluxo direcional 218, um combustor 220 eum dispositivo de controle de fluxo de massa 222 que são seqüencialmente acoplados emcomunicação de fluxo um com o outro, ao longo de ,uma via de escoamento do núcleo domotor 100 e/ou fonte de ar comprimido 212 para o conjunto de turbina 204. Em uma formade realização, o dispositivo de controle de pressão 216 é uma válvula de pressão pneumáti-ca que facilita regular uma pressão de um fluxo de ar comprimido. Em uma forma de realiza-ção, a válvula de fluxo direcional 218 é uma válvula de contrapressão que facilita permitirfluxo de ar em somente uma direção (por exemplo, a primeira válvula de fornecimento 210e/ou a segunda válvula de fornecimento 214 em direção ao conjunto de turbina 204). Emuma forma de realização, o combustor 220 inclui um injetor de combustível (não mostrado) euma câmara de combustão (não mostrada) que facilita misturar um combustível (por exem-plo, propano, gás natural, etc.) com um fluxo de ar comprimido proveniente do núcleo domotor 100 e/ou fonte de ar comprimido 212 e inflama a mistura para induzir um fluxo de ga-ses de combustão quente em direção ao conjunto de turbina 204. Em uma forma de realiza-ção, o dispositivo de controle de fluxo de massa 222 inclui um bocal de fluxo de área variá-vel que facilita regular uma quantidade de fluxo de ar do combustor 220 e/ou dispositivo decontrole de pressão 216 para o conjunto de turbina 204. Alternativamente, o dispositivo decontrole de pressão 216, a válvula de fluxo direcional 218, o combustor 220, e/ou o disposi-tivo de controle de fluxo de massa 222 podem ser quaisquer dispositivos adequados quepermitam ao mecanismo de arranque 202 funcionar como descrito neste documento.
No exemplo de forma de realização, o conjunto de turbina 204 inclui uma unidadede arrefecimento 226 e uma unidade de força 228 que são montadas dentro de um aloja-mento 230. A unidade de força 228 inclui um compressor 232 giratoriamente acoplado auma turbina de força 234 por meio de um primeiro eixo 236 (por exemplo, turbocompressor).A turbina de força 234 inclui uma entrada 238 acoplada em comunicação de fluxo com ocombustor 220, e uma saída 240 acoplada em comunicação de fluxo com o ambiente. Ocompressor 232 inclui uma entrada 242 acoplada em comunicação de fluxo com o conjuntode arrefecimento 206 e/ou o ambiente através de uma primeira válvula de admissão 244, euma saída 246 acoplada em comunicação de fluxo com o conjunto de arrefecimento 206. Aunidade de arrefecimento 226 inclui uma turbina de arrefecimento 248 giratoriamente aco-plada a um gerador 250 (por exemplo, um gerador de magneto permanente) por meio de umsegundo eixo 252 (por exemplo, um turbogenerator). A turbina de arrefecimento 248 incluiuma entrada 254 e uma saída 256 que são acopladas em comunicação de fluxo com o con-junto de arrefecimento 206.
No exemplo de forma de realização, o primeiro eixo 236 e/ou o segundo eixo 252são giratoriamente apoiados por rolamentos magnéticos 258, são axialmente alinhados umcom o outro, e/ou são independentemente giratórios um em relação ao outro, de tal formaque a unidade de força 228 é capaz de ser operada em uma primeira velocidade enquanto aunidade de arrefecimento 226 é operada em uma segunda velocidade que é diferente daprimeira velocidade para facilitar otimizar simultaneamente uma eficiência operacional daunidade de força 228 e uma eficiência operacional da unidade de arrefecimento 226. Emoutra forma de realização, o primeiro eixo 236 e o segundo eixo 252 podem ser orientadosem qualquer direção um em relação ao outro e/ou podem ser operados na mesma velocidade.
No exemplo de forma de realização, o conjunto de arrefecimento 206 inclui um pri-meiro trocador de calor 260 acoplado em comunicação de fluxo com o conjunto de turbina204 (por exemplo, um compressor 232) através de uma válvula de regulagem de pressãovariável 262 (VPRV) que controla uma pressão de um fluxo de ar descarregado a partir docompressor 232. O primeiro trocador de calor 260 é um trocador de calor de pré-arrefecimento que reduz uma temperatura e mantém uma pressão de um fluxo de ar com-primido proveniente da VPRV 262. Em uma forma de realização, o primeiro trocador de calor260 é um trocador de calor de conduto dinâmico (por exemplo, um trocador de calor "ar aar") que utiliza ar extraído do ambiente para reduzir uma temperatura de um fluxo de arcomprimido proveniente da VPRV 262. Em outra forma de realização, o primeiro trocador decalor 260 é um trocador de calor com duto de fan (por exemplo, trocador de calor "ar a ar")que utiliza ar ambiente extraído do compressor de alta pressão 104 existente dentro do nú-cleo do motor 100 (mostrado na fig. 1) par reduzir uma temperatura de um fluxo de ar com-primido descarregado a partir da VPRV 262. Em uma forma de realização, a VPRV 262 éacoplada no combustor 220 através de uma primeira válvula de desvio 264 que redirecionaum fluxo de ar comprimido da VPRV 262 de volta através do combustor 220.
No exemplo de forma de realização, o conjunto de arrefecimento 206 também incluium segundo trocador de calor 266 acoplado em comunicação de fluxo com o primeiro troca-dor de calor 260 através de uma segunda válvula de desvio 268. O segundo trocador decalor 266 é um trocador de calor de pré-arrefecimento que reduz uma temperatura e man-tém uma pressão de um fluxo de ar comprimido a partir do primeiro trocador de calor 260.Em uma forma de realização, o segundo trocador de calor 266 é um trocador de calor recu-perativo (por exemplo, um trocador de calor "ar a ar") que utiliza um fluxo de ar ambienteproveniente de um dispositivo de entrada de ar 270 através de uma segunda válvula de en-trada 272 e/ou um fluxo de ar de arrefecimento proveniente de um terceiro trocador de calor274 através de uma terceira válvula de desvio 276 para reduzir uma temperatura de um flu-xo de ar comprimido proveniente do primeiro trocador de calor 260. Em outra forma de reali-zação, o segundo trocador de calor 266 é acoplado em comunicação de fluxo direta com aVPRV 262 através de uma quarta válvula de desvio 278 para direcionar um fluxo de ar com-primido proveniente da VPRV 262 diretamente para o segundo trocador de calor 266. Emuma forma de realização alternativa, a VPRV 262 é acoplada diretamente a uma unidade dearrefecimento 226 através de uma quinta válvula de desvio 280 e válvula de mistura 282para seletivamente permitir que uma quantidade de ar comprimido se desvie do primeirotrocador de calor 260 e do segundo trocador de calor 266 para aumentar uma temperaturado ar comprimido escoando para dentro da turbina de arrefecimento 248 (por exemplo, parafacilitar impedir o congelamento do terceiro trocador de calor 274).
No exemplo de forma de realização, o terceiro trocador de calor 274 é acoplado emcomunicação de fluxo entre o conjunto de turbina 204 (por exemplo, saída de turbina de ar-refecimento 256) e o segundo trocador de calor 266 através da terceira válvula de desvio276 e/ou entre o conjunto de turbina 204 e o ambiente através de uma primeira válvula dedescarga 284. O terceiro trocador de calor 274 é um trocador de calor "líquido a ar" (por e-xemplo, um trocador de calor de polialfaolefina (PAO) que usa um fluxo de ar proveniente daturbina de arrefecimento 248 para reduzir uma temperatura de um líquido que escoa atravésde um circuito de arrefecimento 286, pelo menos uma porção do qual opera através do ter-ceiro trocador de calor 274. Alternativamente, o circuito de arrefecimento 286 pode ter umgás circulando através do mesmo, e o terceiro trocador de calor 274 pode ser um trocadorde calor "ar a ar". Em uma forma de realização, uma porção de circuito do arrefecimento 286é posicionada próxima do conjunto elétrico 208 para facilitar uma transferência de energiatérmica do conjunto elétrico 208 para o líquido. Em outra forma de realização, o circuito dearrefecimento 286 inclui uma bomba 288 e um reservatório 290 para uso na circulação dolíquido através do circuito de arrefecimento 286 (por exemplo, através do terceiro trocadorde calor 274).
No exemplo de forma de realização, o conjunto elétrico 208 é eletricamente acopla-do no gerador 250 por meio de fiação 292. Em uma forma de realização, o conjunto elétrico208 inclui um controlador de sistema 294, um condicionador de energia 296, pelo menos umdispositivo aviônico 298 (por exemplo, um radar), um conversor de força 300, e um aquece-dor resistivo 302. O condicionador de energia 296 é um dispositivo elétrico que condicionauma saída de gerador 250 para atender a um requisito elétrico pré-determinado de um com-ponente a ser energizado pelo gerador 250, e o conversor de energia 300 é um dispositivoelétrico que desvia uma quantidade de energia a partir do gerador 250 para um barramentode aeronave 304. Em uma forma de realização, o condicionador de energia 296 e/ou con-versor de energia 300 pode incluir um dispositivo que converte saída de corrente alternada(CA) do gerador 250 para corrente contínua (CC). Em uma forma de realização, o condicio-nador de energia 296 e/ou conversor de energia 300 converte uma energia CA trifásica apartir do gerador 250 para energia regulada MM-STD-704D/E a 115 Vrms @ 400 Hz., porexemplo.
Em um exemplo de forma de realização, o aquecedor resistivo 302 é posicionadoao longo de uma linha de fluxo de um segundo trocador de calor 266 para o conjunto deturbina 204 (por exemplo, entrada de turbina de arrefecimento 254). Em uma forma de reali-zação, o aquecedor resistivo 302 é um módulo de carga de compensação (TLM) que con-verte energia do gerador 250 em energia térmica para manter uma velocidade rotacional dogerador 250 (por exemplo, o TLM dissipa, na forma de energia térmica, uma quantidade deenergia a partir do gerador 250 que excede uma exigência do conjunto elétrico 208 parafacilitar o provimento de carga constante para o gerador 250) transferindo energia térmicapara o fluxo de ar de arrefecimento do terceiro trocador de calor 274 para o conjunto de tur-bina 204 (por exemplo, para a entrada de compressor 242) através de uma segunda válvulade descarga 306 e/ou para o ambiente através de uma terceira válvula de descarga 308.
No exemplo de forma de realização, o controlador de sistema 294 pode incluir qual-quer sistema baseado em processador ou microprocessador, tal como um sistema de com-putação que inclui microcontroladores, circuitos de conjunto reduzido de instruções (RISC),circuitos integrados de aplicação específica (ASICs), circuitos lógicos, e qualquer outro cir-cuito ou processador que seja capaz de executar as funções descritas neste documento.Como usado neste documento, o termo "processador" não se limita a somente circuitos inte-grados mencionados na arte, como um processador, mas se refere amplamente a um com-putador, um microcomputador, um controlador lógico programável, um circuito integrado deaplicação específica e qualquer outro circuito programável. Além disto, o controlador de sis-tema 294 pode ser um microprocessador que inclui memória somente de leitura (ROM) e/oumemória de acesso aleatório (RAM), tal como, por exemplo, um microcomputador de 32 bitcom 2 Mbit de memória ROM, e 64 Kbit de memória RAM. No exemplo de forma de realiza-ção, o controlador de sistema 294 entra em contato (por exemplo, recebe sinais de e/outransmite sinais para) uma memória 310, uma pluralidade de sensores posicionados emtodo sistema 200, e/ou uma variedade de outros dispositivos localizados dentro do sistema200 (por exemplo, um computador integrado) e/ou remotamente a partir do sistema 200 (porexemplo, um controlador de voo).
Em um primeiro modo operacional do núcleo do motor 100, uma quantidadesuficiente de ar comprimido é extraível do núcleo do motor 100 para iniciar o sistema 200sem reduzir substancialmente uma característica de eficiência operacional do núcleo do mo-tor 100 (por exemplo, quando a aeronave está em cruzeiro). No primeiro módulo operacio-nal, o sistema 200 é iniciado operando-se a primeira válvula de fornecimento 210 parapermitir que uma quantidade pré-determinada de ar comprimido circule do núcleo do motor100 (por exemplo, de um compressor de alta pressão 104), através do dispositivo decontrole de pressão 216, através da válvula de fluxo direcional 218, e para o combustor 220.O combustor 220 mistura o ar comprimido com combustível e inflama a mistura para gerarum fluxo de gases de combustão através do dispositivo de controle de fluxo de massa 222 eatravés da entrada da turbina de força 238. Os gases de combustão aciona a turbina deforça 234 e são subseqüentemente expelidos para o ar através da saída da turbina de força240. A turbina de força 234 gira o primeiro eixo 236 e aciona o compressor 232. Enquanto ocompressor 232 está sendo acionado pela turbina de força 234, a primeira válvula deentrada 244 é aberta de tal modo que o compressor 232 puxa uma quantidade pre-determinada de ar ambiente através do mesmo. A primeira válvula de entrada 244 ésubseqüentemente fechada.
O compressor 232 comprimi o ar ambiente proveniente da primeira válvula deentrada 244 e descarrega um fluxo de ar comprimido para a VPRV 262 através da saída decompressor 246. Uma primeira porção do fluxo de ar comprimido proveniente da VPRV 262é direcionado através do primeiro trocador de calor 260, através do segundo trocador decalor 266, e para a turbina de arrefecimento 248 para facilitar a rotação do segundo eixo 252e acionar o gerador 250. Uma segunda porção do fluxo de ar comprimido proveniente daVPRV 262 é direcionado através da primeira válvula de desvio 264 e de volta através docombustor 220. Após a segunda porção de ar comprimido circular através do combustor220, a primeira válvula de fornecimento 210 é fechada, e o sistema 200 se torna um sistemade ciclo fechado.
Em uma forma de realização, o fluxo de ar comprimido proveniente do segundo tro-cador de calor 266 é direcionado através da válvula de mistura 282 e para a turbina de arre-fecimento 248. A temperatura e a pressão do ar comprimido circulando dentro da turbina dearrefecimento 248 são reduzidas através da turbina de arrefecimento 248, e um fluxo de arde arrefecimento é descarregado da turbina de arrefecimento 248 para o terceiro trocadorde calor 274. A válvula de mistura 282 mistura o fluxo de ar comprimido do segundo trocadorde calor 266 com um fluxo de ar comprimido através da quinta válvula de desvio 280 paraelevar uma temperatura do fluxo de ar comprimido direcionado para dentro da turbina dearrefecimento 248 de tal modo que uma temperatura do ar de arrefecimento descarregadoda turbina de arrefecimento 248 se torna mais fácil de ser regulada. O terceiro trocador decalor 274 usa o fluxo de ar de arrefecimento proveniente da turbina de arrefecimento 248para reduzir uma temperatura do líquido através do circuito de arrefecimento 286. O ar dearrefecimento circulando através do terceiro trocador de calor 274 é direcionado para o se-gundo trocador de calor 266 para uso em reduzir uma temperatura de ar comprimido circu-lando a partir do primeiro trocador de calor 260 através do segundo trocador de calor 266. Oar de arrefecimento que circula através do segundo trocador de calor 266 proveniente doterceiro trocador de calor 274 é direcionado sobre o aquecedor resistivo 302, para dentro daentrada de compressor 242, e para dentro do conjunto de arrefecimento 206 através da saí-da de compressor 246 para ser re-circulado através do sistema de ciclo fechado.
Em um segundo modo operacional do núcleo do motor 100, uma quantidadesuficiente de ar comprimido não é extraível do núcleo do motor 100 para iniciar o sistema200 (por exemplo, quando a aeronave está no solo). No segundo modo operacional, o sis-tema 200 é iniciado operando-se a segunda válvula de fornecimento 214 para permitir queuma quantidade pré-determinada de ar comprimido circule desde a fonte de ar comprimido212, através do dispositivo de controle de pressão 216, através da válvula de fluxo direcional218, e para o combustor 220. O combustor 220 mistura o ar comprimido com combustível einflama a mistura para gerar um fluxo de gases de combustão através do dispositivo decontrole de fluxo de massa 222 e através da entrada da turbina de força 238. Os gases decombustão acionam a turbina de força 234 e são subseqüentemente expelidos para oambiente através da saída da turbina de força 240. A turbina de força 234 gira o primeiroeixo 236 e aciona o compressor 232. Enquanto o compressor 232 está sendo acionado pelaturbina de força 234, a primeira válvula de entrada 244 é aberta de tal modo que ocompressor 232 puxa uma quantidade pré-determinada de ar ambiente através do mesmo.A primeira válvula de entrada 244 é subseqüentemente fechada.
O compressor 232 comprime o ar ambiente proveniente da primeira válvula deentrada 244 e descarrega um fluxo de ar comprimido na VPRV 262 atrvés da saída decompressor 246. Uma primeira porção do fluxo de ar comprimido proveniente da VPRV 262é direcionada através do primeiro trocador de calor 260, através do segundo trocador decalor 266, e para dentro da turbina de arrefecimento 248 para facilitar a rotação do segundoeixo 252 e acionar o gerador 250. Uma segunda porção do fluxo de ar comprimidoproveniente da VPRV 262 é direcionado através da primeira válvula de desvio 264 e de voltaatravés do combustor 220. Após a segunda porção de ar comprimido circular através docombustor 220, a segunda válvula de fornecimento 214 é fechada, e o sistema 200 se tornaum sistema de ciclo fechado.
Em uma forma de realização, o fluxo de ar comprimido proveniente do segundo tro-cador de calor 266 é direcionado através da válvula de mistura 282 e para dentro da turbinade arrefecimento 248. Uma temperatura e uma pressão do ar comprimido circulando dentroda turbina de arrefecimento 248 são reduzidas através da turbina de arrefecimento 248, eum fluxo de ar de arrefecimento é descarregado da turbina de arrefecimento 248 para o ter-ceiro trocador de calor 274. A válvula de mistura 282 mistura o fluxo de ar comprimido dosegundo trocador de calor 266 com um fluxo de ar comprimido através da quinta válvula dedesvio 280 para elevar uma temperatura do fluxo de ar comprimido direcionado para dentroda turbina de arrefecimento 248, de tal modo que uma temperatura do ar de arrefecimentodescarregado da turbina de arrefecimento 248 se torna mais fácil de ser regulada. O terceirotrocador de calor 274 usa o fluxo de ar de arrefecimento proveniente da turbina de arrefeci-mento 248 par reduzir uma temperatura do líquido que está circulando através do circuito dearrefecimento 286. O ar de arrefecimento que circula através do terceiro trocador de calor274 é direcionado para o segundo trocador de calor 266 para uso em reduzir uma tempera-tura do ar comprimido que está circulando proveniente do primeiro trocador de calor 260através do segundo trocador de calor 266. O ar de arrefecimento que circula através do se-gundo trocador de calor 266 proveniente do terceiro trocador de calor 274 é direcionado so-bre o aquecedor resistivo 302, para dentro da entrada de compressor 242, e para dentro doconjunto de arrefecimento 206 através da saída de compressor 246 para ser re-circuladoatravés do sistema de ciclo fechado.
Nas formas de realização alternativas, o ar comprimido proveniente do núcleo domotor 100 e/ou fonte de ar comprimido 212 pode ser direcionado para dentro do dispositivode controle de fluxo de massa 222 desviando-se da válvula de fluxo direcional 218 e docombustor 220. Em outras formas de realização, o ar comprimido proveniente do compres-sor 232 pode ser direcionado para o segundo trocador de calor 266 através da quarta válvu-la de desvio 278, desta maneira, desviando-se do primeiro trocador de calor 260. Em outrasformas de realização, a primeira válvula de descarga 284, a terceira válvula de descarga308, e a segunda válvula de entrada 272 podem ser abertas, enquanto a terceira válvula dedesvio 276 e a segunda válvula de descarga 306 são fechadas, de tal modo que o ar ambi-ente proveniente do dispositivo de entrada de ar 270 é direcionado através do segundo tro-cador de calor 266, sobre o aquecedor resistivo 302, e para o ambiente, e/ou o ar de arrefe-cimento que está circulando através do terceiro trocador de calor 274 é expelido para o ambiente.
Em outra forma de realização alternativa, o conjunto de turbina 204 pode ser umacoplador magnético 314 que é seletivamente operável para facilitar o acionamento do sis-tema 200 sem usar ar comprimido proveniente do núcleo do motor 100 e/ou fonte de arcomprimido 212. Especificamente, quando ar comprimido proveniente do núcleo do motor100 e/ou fonte de ar comprimido 212 é indisponível ou indesejável, o acoplador magnético314 é energizado entre o primeiro eixo 236 e o segundo eixo 252 para giratoriamente aco-plar o primeiro eixo 236 e o segundo eixo 252 juntos. Após o acoplador magnético 314 serenergizado, o gerador 250 usa energia proveniente de uma fonte de energia 316 e/ou bar-ramento de aeronave 304 para girar o primeiro eixo 236 e o segundo eixo 252, operando,desta maneira, como um motor para puxar ar ambiente para dentro do compressor 232 parauso no acionamento do sistema 200.
No exemplo de forma de realização, o controlador de sistema 294 é programadopara realizar as seguintes tarefas: (1) seletivamente liberar um fluxo de ar comprimido pro-veniente da fonte de ar comprimido 212 e/ou núcleo do motor 100 para facilitar a otimizaçãode uma característica de eficiência do núcleo do motor 100; (2) regular pelo menos uma ca-racterística operacional do conjunto de turbina 204 (por exemplo, uma velocidade operacio-nal do compressor 232 e/ou turbina de força 234 estrangulando um fluxo de ar através dodispositivo de controle de fluxo de massa 222); (3) operar a unidade de força 228 duranteperíodos não operacionais 100 (por exemplo, operando a unidade de força 228 quando e-nergia é necessária para realizar uma operação de arranque do núcleo do motor 100 e/ouquando é necessária energia de emergência para energizar um componente da aeronave);(4) desviando energia proveniente do gerador 250 para o aquecedor resistivo 302 para facili-tar o provimento de uma carga constante para o gerador 250; e/ou (5) realizar detecção deerro de sistema e/ou informar a um sistema principal de controle da aeronave que é locali-zado na aeronave e/ou para um controlador de voo que fica localizado longe da aeronave.Alternativamente, o controlador de sistema 294 pode ser programado para facilitar qualqueroperação do sistema 200 descrito neste documento.
Em uma modalidade, o controlador de sistema 294 controla um equilíbrio de ener-gia do sistema 200 regulando uma pluralidade de circuitos de comutação de energia elétricade alta velocidade (não mostrados) dentro do aquecedor resistivo 302 e/ou operando o dis-positivo de controle de pressão 216 para fornecer uma quantidade desejada de ar compri-mido proveniente do núcleo do motor 100 para o conjunto de turbina 204 a uma pressãoe/ou temperatura desejada. Em outra forma de realização, a energia inicial para o sistema200 é tomada do barramento de aeronave 304, e o controlado de sistema 294 comuta ener-gia elétrica proveniente dos rolamentos magnéticos 258, e/ou outras exigências de energiaelétrica, a partir do barramento de aeronave para output energia proveniente do gerador 250uma vez que o sistema 200 alcança um estado estável de operação (por exemplo, uma vezque o ciclo fechado é estabelecido).
Em uma forma de realização, quando é produzida energia em excesso pelo gerador250 (por exemplo, quando o conjunto elétrico 208 requer mais arrefecimento do que força),o controlador de sistema 294 desvia energia CA de alta freqüência do gerador 250 para obarramento de aeronave 304, com substancialmente nenhuma perda de qualidade de ener-gia, descarregando, desta maneira, o gerador 250 e isolando o sistema 200 do barramentode aeronave 304, e o conversor de energia 300 condiciona e/ou sincroniza uma energia elé-trica de alta freqüência produzida pelo gerador 250 para transmissão para o barramento deaeronave 340, resultando em uma redução de energia desviada para o aquecedor resistivo302, um uso mais eficiente de ar comprimido extraído do núcleo do motor 100, uma tempe-ratura mais baixa de ar expelido do sistema 200, e/ou uma redução em carga elétrica em umgerador principal (não mostrado) da aeronave.
Em outra forma de realização, o controlador de sistema 294 ajusta uma força des-viada para o aquecedor resistivo 302 baseado em uma velocidade rotacional do gerador250. Em uma forma de realização, o controlador de sistema 294 monitora uma quantidadede força desviada para o aquecedor resistivo 302 e mantém um nível de força de polariza-ção mínimo no sistema 200. Para proteger contra descarregamento do gerador principal daaeronave, o controlador de sistema 294 continuamente monitora uma quantidade de energiafornecida pelo gerador principal e compara a energia fornecida pelo gerador principal comum ponto de referência de quantidade de energia para determinar uma quantidade máximade energia que pode ser colocada no barramento de aeronave 304. Se a energia do geradorprincipal cai abaixo do ponto de referência de quantidade de energia, o controlador de sis-tema 294 impede o desvio de energia adicional do gerador para 250 para o barramento deaeronave 304.
Como será observado por um técnico no assunto e baseado no relatório preceden-te, as formas de realização acima descritas da invenção podem ser implementadas usandoprogramação de computador ou técnicas de engenharia incluindo software de computador,firmware, hardware, ou qualquer combinação ou subconjunto dos mesmos, caracterizadopelo fato de que um efeito técnico é o de facilitar o provimento de arrefecimento e força.Qualquer programa resultante, tendo meios de código legíveis por computador, pode serincorporado ou provido com um ou mais mídia legível por computador, fazendo, desta ma-neira, um produto de programa e computador, por exemplo, um artigo de fabricação, de a-cordo com as formas de realização descritas da invenção. A mídia legível por computadorpode ser, como exemplo, mas não estando limitada a um disco fixo (rígido), disquete, discoótico, fita magnética, memória de semiconductor, tal como memória somente para leitura(ROM), e/ou qualquer meio de transmissão/ recebimento, tal como a Internet ou outra redeou link de comunicação. O artigo de fabricação contendo o código de computador pode serfeito e/ou usado para executar o código diretamente de um médio, copiando o código de ummeio para outro meio, e/ou transmitindo o código por uma rede.
Os métodos e sistemas descritos neste documento facilitam o provimento de arre-fecimento e força a uma aeronave. Especificamente, os métodos e sistemas descritos nestedocumento facilitam otimizar uma velocidade de uma turbina de força e um compressor paraminimizar consumo de combustível por um motor propulsor da aeronave. Além disto, os mé-todos e sistemas descritos neste documento facilitam otimizar uma velocidade de umaturbina de arrefecimento para maximiar eficiência de arrefecimento e manter uma saídadesejada de um gerador. Adicionalmente, os métodos e sistemas descritos neste documentofacilitam minimizar uma exigência de espaço que é necessário para acomodar um sistemade arrefecimento e força em uma aeronave, e facilita minimizar um custo de combustívelassociado com a operação de um sistema de arrefecimento e força em uma aeronave.
Formas de realização de métodos e sistemas para prover arrefecimento e força sãodescritas acima em detalhe. Os métodos e sistemas de prover arrefecimento e força con-forme descrito neste documento não são limitados às formas de realização descritas nestedocumento, mas, ao contrário, componentes dos métodos e sistemas podem ser utilizadosindependentemente e separadamente de outros componentes descritos neste documento.Por exemplo, os métodos e sistemas descritos neste documento podem ter outras aplica-ções industriais e/ou de consumidor e não estão limitadas a serem reproduzidas com umaaeronave conforme descrita neste documento. Ao contrário, a presente invenção pode serimplementada e utilizada em relação a muitas outras indústrias.
Embora a invenção tenha sido descrita em termos de várias formas de realizaçãoespecíficas, aqueles que são versados na arte reconhecerão que a invenção pode ser re-produzida com modificação dentro do espírito e escopo das reivindicações.
Claims (10)
1. Sistema (200) para prover arrefecimento e força, dito sistema sendoCARACTERIZADO por compreender:- um conjunto de turbina (204) que compreende:- uma unidade de arrefecimento (226) compreendendo uma primeira turbina (248)giratoriamente acoplada a um gerador (250) por meio de um primeiro eixo (252); e- uma unidade de força (228) compreendendo uma segunda turbina (234) giratori-amente acoplada a um compressor por meio de um segundo eixo (236), dita unidade deforça estando acoplada em comunicação de fluxo com dita unidade de arrefecimento, de talforma que dito primeiro eixo e dito segundo eixo são independentemente giratórios um emrelação ao outro.
2. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 1, compreendendo adicionalmenteum conjunto elétrico (208) que compreende um controlador de sistema (294) eletricamenteacoplado em dito gerador (250).
3. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato deque dito conjunto de turbina (204) compreende adicionalmente uma pluralidade de rolamen-tos magnéticos (258), dito primeiro eixo (252) e dito segundo eixo (236) magneticamentesustentado por meio de ditos rolamentos magnéticos.
4. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato deque dito conjunto de turbina (204) compreende adicionalmente um acoplador magnético(314) posicionado entre dito primeiro eixo (252) e dito segundo eixo (236), dito acopladormagnético sendo seletivamente acionável para acoplar dito primeiro eixo a dito segundoeixo, de tal forma que dito primeiro eixo e dito segundo eixo são giratórios juntos.
5. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO por com-preender adicionalmente um mecanismo de arranque (202) acoplado em comunicação defluxo entre dito conjunto de turbina (204) e uma fonte de ar comprimido (212), dito mecanis-mo de arranque compreendendo um combustor (220).
6. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato deque dito mecanismo de arranque (202) compreende adicionalmente um dispositivo de fluxode massa (222) configurado para regular um fluxo de massa através de dita turbina de força(234).
7. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO por com-preender adicionalmente um conjunto de arrefecimento (206) acoplado em comunicação defluxo com dito conjunto de turbina (204), dito conjunto de arrefecimento compreendendo umprimeiro trocador de calor ar a ar (260) e um trocador de calor líquido a ar.
8. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato deque dito conjunto de arrefecimento (206) compreende adicionalmente um segundo trocadorde calor ar a ar (266) acoplado em comunicação de fluxo com dito primeiro trocador de calorar a ar (260) e dito trocador de calor líquido a ar.
9. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato deque dito conjunto de arrefecimento (206) compreende adicionalmente um circuito de arrefe-cimento (286) que se estende através de dito trocador de calor líquido a ar, pelo menos umaporção de dito circuito de arrefecimento posicionada próxima de dito conjunto elétrico (208).
10. Sistema (200), de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fatode que dito conjunto elétrico (208) compreende um aquecedor resistivo (302) eletricamenteacoplado a dito gerador (250), dito aquecedor resistivo posicionado ao longo de uma via deescoamento de dito conjunto de arrefecimento (206).
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