BR112019025081B1

BR112019025081B1 - Processo e dispositivo para aumentar a eficiência de propulsão a jato

Info

Publication number: BR112019025081B1
Application number: BR112019025081-6A
Authority: BR
Inventors: Martin Ziegler
Original assignee: Martin Ziegler
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2023-02-28
Also published as: EP3631349B1; US11530020B2; CN110832269B; CH713816A1; CN110832269A; WO2018219856A1; US20200156750A1; BR112019025081A2; EP3631349A1

Abstract

A presente invenção compreende um processo e um dispositivo para aumentar a eficiência de propulsões a jato através da recuperação de potência útil do fluxo de propulsão. Uma hélice (4) na caixa da hélice (5) acionada por um motor de acionamento (9) através de um eixo de acionamento (1) transporta o fluido para a propulsão a jato para fora do espaço interno (Vi) de uma turbina radial (6). O fluido é acelerado axialmente e expelido para trás contra a direção de locomoção. Dessa forma é gerado empuxo. Uma vez que a pressão no espaço interno da turbina diminui, fluido novo do ambiente flui diretamente através das pás da turbina radial (6) em rotação de fora para dentro e aciona a mesma desta forma. A potência da turbina radial (6) é transmitida através de uma engrenagem (2) para o eixo de acionamento (1) da hélice (4) o que alivia a carga do motor de acionamento (9) e aumenta a eficiência da propulsão a jato. A presente invenção é especialmente bem apropriada para acionamentos elétricos.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um processo e a um dispositivo para aumentar a eficiência de propulsões a jato através da re-cuperação do rendimento útil do fluxo de propulsão. Ela é descrita como propulsão para aeronaves, mas pode ser aproveitada de uma maneira geral para o acionamento de veículos de todos os tipos. Entre eles aeronaves, veículos terrestres e embarcações.

[002] Propulsões a jato segundo o estado da técnica transportam ar ou água com a ajuda de um propulsor e geram um jato de alta velocidade que é expelido para trás contra a direção de locomoção. O propulsor é acionado por um motor de acionamento, o que pode ser um motor térmico ou um motor elétrico. De acordo com a teoria de jatos geral, uma força de empuxo resulta da diferença dos impulsos de fluxo nos limites de balanço de uma propulsão a jato. Esta teoria baseia-se nas leis de força de Newton, e dessa forma surge empuxo como reação às forças de inércia da aceleração de fluidos em repouso. Com isto são acionadas aeronaves.

[003] A eficiência de propulsões a jato é a relação de potência de empuxo para a potência empregada. A potência de empuxo é o produto de força de empuxo multiplicada pela velocidade do veículo. Ela é necessária para movimentar o veículo através de ar ou água. A potência empregada é a potência de ondas mecânica para o propulsor do motor de acionamento. Nisto são contidas as perdas de energia cinética na saída da propulsão a jato. Adicionalmente há perdas de calor do motor de acionamento.

[004] O consumo de energia de propulsões a jato é caracterizado pela potência específica do empuxo, isto é a potência de acionamento P por força de empuxo F. Ela é medida em Watt por Newton, isto é uma velocidade. De acordo com a teoria de Rankine, a potência específica do empuxo da propulsão a jato simples resulta como a média aritmética das velocidades de afluxo v e saída de fluxo c da hélice. Nisto são contidas as perdas de jato, porém não as perdas de calor do motor de acionamento

potência específica de empuxo segundo Rankine (G1)

[005] Para aumentar a eficiência de uma propulsão a jato é preciso diminuir a potência específica de empuxo dela. Matematicamente isto significa diminuir o numerador da fração ou aumentar seu denominador. Portanto, a teoria de acordo com Rankine é ampliada por uma potência adicional ΔP e uma força adicional ΔF e obtém-se:

Potência específica de empuxo ampliada (G2)

[006] O quociente P/F é sempre menor do que o valor original segundo Rankine Po/Fo quando a potência adicional ΔP é negativa e a força adicional ΔF, positiva. Justamente então o acionamento é mais eficiente do que até agora. Do ponto de vista da termodinâmica, uma potência é negativa quando é liberada por uma máquina e é disponível como potência útil para um acionamento. Uma força é negativa quando atua em sentido da locomoção.

[007] Uma potência útil pode ser obtida por meio da recuperação de energia do fluxo de propulsão. No caso de embarcações conhece- se a roda diretora de Grim que com uma turbomáquina axial do fluxo posterior da hélice recupera energia, aumentando a eficiência do acionamento. A desvantagem no caso é a interferência entre hélice e roda diretora com uma carga dinâmica alta de todas as pás e perda de empuxo na hélice principal. Em aeronaves não se conhece uma recuperação de potência útil do fluxo de propulsão.

[008] A presente invenção tem a tarefa de encontrar um processo e um dispositivo com os quais se pode aumentar a eficiência de propulsões a jato através da recuperação de potência útil do fluxo de propulsão, não somente em embarcações, mas também em aeronaves. Nisto, a carga dinâmica da hélice oriunda de interferências do fluxo deverá ser menor do que até agora. A tarefa é cumprida com a ajuda de um processo de acordo com a reivindicação 1 e de um dispositivo de acordo com a reivindicação 4 e as seguintes.

[009] A presente invenção é descrita com a ajuda de cinco figuras:

[0010] A figura 1 mostra a representação de uma propulsão a jato com todos os componentes principais, como um possível exemplo de execução para a presente invenção.

[0011] A figura 2 mostra o princípio ativo para a recuperação de energia do fluxo de propulsão.

[0012] A figura 3 mostra a representação das forças do fluxo no rotor da turbina de circulação radial.

[0013] A figura 4 mostra um exemplo para uma integração do aci onamento na fuselagem.

[0014] A figura 5 mostra um exemplo com liberação de potência em um rotor aberto.

[0015] A hélice da propulsão a jato gera um fluxo de propulsão. No presente exemplo, este é usado para acionar uma turbina de circulação radial, cuja potência adicional é transmitida através de uma engrenagem para o eixo de acionamento da hélice. Isto reduz a carga do motor de acionamento. A turbina radial é configurada de tal modo que as forças de fluxo que surgem nas suas pás apresentam tanto um componente de força tangencial Ft em sentido de rotação, bem como um componente de força axial Fx em sentido de movimentação. O componente tangencial cria um torque na turbina radial. Disso surge a potência adicional ΔP . No componente de força axial surge o empuxo adicional ΔF.

[0016] A figura 1 mostra um exemplo de execução do novo acio namento. Uma hélice 4 em duto na caixa da hélice 5 é acionada por meio de um motor de acionamento 9 através do eixo de acionamento 1 no túnel do eixo 3. O eixo de acionamento 1 é acoplado à turbina radial 6 por meio de uma engrenagem 2. A turbina radial 6 não possui nenhum aparelho guia e é apoiada no túnel do eixo de acionamento 3 com a ajuda de rolimãs 8. Ela gira entre a fuselagem 7 e a caixa da hélice 5 em torno do eixo longitudinal. Seu contorno de pás segue a forma do corpo de fluxo sem resistência entre a fuselagem 7 e a caixa da hélice 5, onde o diâmetro do rotor vai adelgaçando-se da frente para trás. A hélice 4 transporta o ar do espaço interno da turbina radial 6 e gera um jato para trás. Dessa forma surge o empuxo para o avanço. Uma vez que com isto a pressão no espaço interno da turbina radial diminui, o ar de fora flui através do rotor em rotação, gerando forças de fluxo localmente eficientes nas pás dela. Com isto surgem potência adicional e empuxo adicional e por causa de

aumenta a eficiência do acionamento.

[0017] A figura 2 mostra o princípio da recuperação do fluxo de propulsão.

[0018] A figura 2.1 mostra os componentes essenciais. A hélice 4 é acionada pelo eixo de acionamento 1. Ela é acoplada ao rotor 6 da turbina radial através da engrenagem 2 e é simbolizada pelas rodas dentadas mostradas, sendo que a engrenagem pode ser executada como engrenagem mecânica (por exemplo, engrenagem planetária) ou magnética (por exemplo, engrenagem magnética, sistema de Ward- Leonard, motor gerador com embreagem eletrônica)) ou como transmissão hidráulica (embreagem hidráulica ampliada com conversor de torque). O fluido vindo do ambiente flui até o rotor sem torção. A po- tência da turbina entregue reduz a carga do motor de acionamento. Hélice 4 e turbina 6 giram em sentido oposto, isto compensa os torques do acionamento.

[0019] A figura 2.2 mostra o campo de fluxo que se forma. A hélice transporta o ar do volume Vi do espaço interno do rotor. Com isto, a pressão interna pi lá diminui. Como agora a pressão externa pa é mais alta, obrigatoriamente o ar de fora entra passando pelas pás em rotação da turbina radial. Nisso surgem forças de fluxo aproveitáveis.

[0020] A figura 3 mostra as forças de fluxo nas pás do rotor da turbina.

[0021] A figura 3.1 mostra um corte de pás radial em um ponto qualquer do rotor (coordenada de corte xs) que se estende da fuselagem (coordenada longitudinal xo) até a caixa da hélice (coordenada longitudinal xi). A figura 3.2 mostra um corte longitudinal e a posição do corte radial da figura 3.1.

[0022] A figura 3.1 mostra a saída do fluxo no corte de pás radial. O afluxo c para a turbina ocorre em direção radial, sem torção. Um aparelho guia não existe. Através da sobreposição com o afluxo da folha de pá u da velocidade circunferencial forma-se na pá um afluxo relativo w que é inclinado contra a tangente do círculo de corte com o raio ra. As folhas de pá apresentam um perfil e são torcidas contra a tangente do círculo de corte. A torção dos perfis aumenta da frente para trás. Nisso, o diâmetro de tubo diminui. Do afluxo do corte de pá com a velocidade relativa w surge agora uma força ascensional Fa cuja linha de atuação é inclinada contra a direção radial, formando um ângulo de inclinação Φ e se estende a uma distância ri do eixo de rotação. Dessa forma a força ascensional Fa com distância ri gera um torque M em torno de eixo longitudinal. Disso resulta uma potência adici-onal ΔP aproveitável que alivia a carga do motor de acionamento e diminui o numerador na fração (G2).

[0023] Com o ângulo de inclinação Φ a força ascensional Fa pode ser decomposta em um componente radial Fr e um componente tangencial Ft. O componente radial Fr atua contra a força centrífuga da rotação. Ele reduz a carga das pás. O componente tangencial Ft gera o torque para a potência adicional.

[0024] No corte longitudinal segundo a figura 3.2, a inclinação da força ascensional Fa em direção de voo é evidente. Através do adelga-çamento do rotor da frente para trás surge no fluxo das pás local um componente de força Fx em sentido de locomoção. Isto é uma força adicional ΔF que aumenta o denominador da fração (G2), aumentando ainda mais a eficiência.

[0025] A figura 4 mostra a título de exemplo o acionamento como parte integrante de uma fuselagem de uma aeronave. Ele encontra-se ao abrigo do vento da fuselagem. A hélice sempre recebe seu afluxo do volume interno da turbina radial. Lá fica mantida, durante toda a viagem, uma baixa de potência não homogênea. Ela apresenta em cada ponto do espaço uma pressão lateral e uma velocidade local. Disso surgem forças de fluxo que causam um empuxo adicional e uma potência adicional. Desta forma, é recuperada potência do fluxo de propulsão que aflui para a hélice. Isto é recuperação. Em comparação com a teoria simples de acordo com Rankine vale agora a equação (G2) e o novo acionamento é mais eficiente do que era possível até agora.

[0026] Nas embarcações a recuperação de potência útil do fluxo posterior da hélice é conhecida como roda diretora de Grim. Isto é uma turbomáquina axial. Agora, potência é recuperada do afluxo com a ajuda com uma turbomáquina radial. Diferentemente de turbinas radiais conhecidas não há aparelho guia.

[0027] O novo princípio de recuperação de potência do fluxo de propulsão pode ser realizado com ar ou com água ou com um outro fluido. Com isto a potência necessária do motor de acionamento 9 pode ser baixada consideravelmente. A presente invenção é especialmente apropriada para o acionamento com motores elétricos.

[0028] Para velocidades baixas pode ser vantajoso transmitir a potência da turbina radial 6 apenas com uma primeira parte para o eixo da hélice 1. Uma segunda parte pode ser transferida diretamente para um rotor aberto 10, cujas pás de hélice 11 são firmemente ligadas à turbina radial 6. Neste caso, o rotor aberto 10 é acionado diretamente pela turbina radial 6.

[0029] A figura 5 mostra um exemplo de execução de tal construção. O rotor aberto 10 apresenta um diâmetro maior do que a turbina radial 6. Suas pás de hélice 11 são firmemente ligadas à turbina radial e geram o empuxo axial. No caso de velocidades menores está disposição tem vantagens, pois o rendimento da turbina é transferido a um rotor com um diâmetro maior, fato este que diminui as perdas de jato. Lista de números de referência: 1 Eixo de acionamento 2 Engrenagem (mecânica, magnética, fluido) 3 Túnel do eixo de acionamento 4 Hélice 5 Caixa da hélice 6 Turbina radial 7 Fuselagem 8 Rolimã 9 Motor de acionamento (motor térmico ou motor elétrico) 10 Rotor aberto (open rotor) 11 Pá da hélice Abreviaturas e símbolos de fórmula: c velocidade do jato (teoria de hélice de Rankine) c velocidade de fluxo absoluta (triângulo de velocidade) F força de empuxo F0 força de empuxo de acordo com teoria de hélice de Ranki- ne ΔF força adicional Fa força ascensional Fr componente de força em sentido radial Ft componente de força em sentido tangencial Fx componente de força em sentido axial M torque p pressão Pa pressão externa, fora da turbina radial Pi pressão interna, dentro da turbina radial P potência de acionamento Po potência de acionamento segundo a teoria de hélice de Rankine ΔP potência adicional r raio ra raio externo ri raio interno u velocidade circunferencial (triângulo de velocidade) v velocidade de viagem (teoria de hélice de Rankine) Vi volume do espaço interno da turbina radial w velocidade de fluxo relativa (triângulo da velocidade) x coordenada longitudinal de um corte de rotor (xs = xo...xi) Φ ângulo de inclinação da força de pá

Claims

1. Processo para aumentar a eficiência de propulsão a jato através da recuperação de potência útil do fluxo de propulsão, caracterizado pelo fato de que uma hélice (4) em um duto na caixa da hélice (5), acionada por um motor de acionamento (9) através de um eixo de acionamento (1) transporta o fluido para a propulsão a jato do espaço interno Vi de uma turbina radial (6), em que a hélice (4) acelera axialmente este fluido e o ejeta para trás contra a direção de viagem, em que o fluido novo do ambiente flui de fora para dentro, diretamente através das pás da turbina radial (6) em rotação, sem aparelho guia, e assim aciona as pás da dita turbina radial (6), e que a potência da tur-bina radial (6) é transmitida através de uma engrenagem (2) para o eixo de acionamento (1) da hélice (4), o que diminui a carga do motor de acionamento (9).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido é ar.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluido é água.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma parte da potência da turbina radial (6) é transferida diretamente para um rotor aberto (10) cujas pás de hélice (11) são firmemente ligadas à turbina radial, para acelerar o fluido do ambiente e gerando assim empuxo axial.

5. Dispositivo para aumentar a eficiência de propulsões a jato através da recuperação de potência do fluxo de propulsão, em que a caixa da hélice (5) compreende uma hélice (4) em duto, que é acionada por um motor de acionamento (9) através de um eixo de acionamento (1) caracterizado pelo fato de que compreende uma turbina radial (6) sem aparelho guia através do qual flui fluido do ambiente, em que o fluido, primeiro, passa através da turbina radial (6) e depois, através da hélice (4), e que a turbina radial (6) é conectada a uma engrenagem (2) por meio da qual sua potência pode ser transmitida para o eixo de acionamento (1).

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o motor de acionamento (9) é um motor elétrico.

7. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o motor de acionamento (9) é uma máquina térmica, tais como, por exemplo uma turbina a gás ou um motor de pistão).

8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a turbina radial (6) é isenta de aparelho guia, sendo que a turbina é posicionada entre a fuselagem (7) e a caixa da hélice (5), que seu eixo de rotação aponta para direção de locomoção, em que a distância radial do contorno das pás ao eixo de rotação decresce da frente para trás, em que suas pás possuem um perfil como asas, em que os perfis das pás são torcidos em sentido longitudinal, que a torção dos perfis aumenta da frente para trás, e que a relação de comprimento de pá para a profundidade de perfil média é superior a 4, para que as pás sejam essencialmente mais compridas do que largas).

9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o eixo de rotação de sua turbina radial (6) é posicionado de forma coaxial com a hélice (4).

10. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o sentido de rotação de sua turbina radial (6) é oposto àquele da hélice (4).

11. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que compreende um rotor aberto (10) cujas pás de hélice (11) são firmemente ligadas à turbina radial (6).

12. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a engrenagem (2) compreende uma transmissão de força direta, em que a transmissão de força direta inclui uma engrenagem de rodas dentadas ou uma engrenagem planetária.

13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a engrenagem (2) compreende uma transmissão de força indireta, em que a transmissão de força indireta compreende uma transmissão de força magnética, eletromagnética ou de fluxo, em que a transmissão de força magnética compreende ímãs permanentes, em que a transmissão de força eletromagnética compreende um sistema Ward-Leonard ou uma embreagem de motor elétrico / gerador regulada eletronicamente, e em que a transmissão de força hidráulica compreende uma embreagem hidráulica ampliada com conversor de torque.