ES2197251T3 - Sistema de actuacion de tobera asimetrica orientable que tiene varios circuitos de control de potencia. - Google Patents
Sistema de actuacion de tobera asimetrica orientable que tiene varios circuitos de control de potencia.Info
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Abstract
SISTEMA ACCIONADOR DE TOBERA A PRUEBA DE FALLOS (2) PARA UNA TOBERA DE ESCAPE ORIENTABLE ASIMETRICA (14) DE UN MOTOR DE TURBINA DE GAS PARA UNA AERONAVE QUE TIENE UN ANILLO ORIENTABLE (86) UNIDO A VARIAS LENGUETAS PIVOTANTES (50) DISPUESTAS EN CIRCULO EN TORNO A LA LINEA CENTRAL (8) DE LA TOBERA Y QUE RODEAN EL TRAYECTO DE FLUJO DEL GAS DE ESCAPE (4) EN LA TOBERA. EL SISTEMA ACCIONADOR DE LA TOBERA A PRUEBA DE FALLOS TIENE AL MENOS DOS SISTEMAS ACCIONADORES DE LA ORIENTACION (2A Y 2B) MANEJABLES DE FORMA INDEPENDIENTE QUE INCLUYEN UN PRIMER Y UN SEGUNDO GRUPO DE ACCIONADORES (90A Y 90B) CONECTADOS AL ANILLO DE ORIENTACION (86) Y UN PRIMER Y UN SEGUNDO CONTROLADOR A PRUEBA DE FALLOS PARA CONTROLAR LA ALIMENTACION DEL PRIMER Y DEL SEGUNDO GRUPO DE ACCIONADORES (90A Y 90B) RESPECTIVAMENTE. EL PRIMER GRUPO DE ACTIVADORES DE ORIENTACION ESTA INTERDIGITADO CON EL SEGUNDO GRUPO DE SEGUNDOS ACCIONADORES DE ORIENTACION EN TORNO A LA TOBERA. SE PUEDEN MANEJAR AMBOS GRUPOS DE ACCIONADORES PARA QUE ACCIONEN LA TOBERA CUANDO EL OTRO GRUPO ESTE PONIENDOSE A PRUEBA DE FALLOS.
Description
Sistema de actuación de tobera asimétrica
orientable que tiene varios circuitos de control de potencia.
La presente invención se refiere, genéricamente,
a toberas axisimétricas de orientación de gases de salida para
turbina de gas y, más particularmente, a sistemas de actuación de
dichos motores que tienen varios circuitos de potencia para
controlar el anillo de orientación.
Los diseñadores e ingenieros de aeronaves
militares se afanan constantemente en aumentar la maniobrabilidad de
las aeronaves, tanto para misiones de combate
aire-aire como para complicadas misiones de ataque a
tierra. Han desarrollado toberas de orientación del empuje, las
cuales giran u orientan el flujo de gases de salida y el empuje del
motor de la turbina de gas, que propulsan la aeronave, para
sustituir o aumentar el uso de superficies aerodinámicas
convencionales, tales como aletas y alerones. Una tobera de
orientación del empuje recientemente desarrollada, es una tobera
axisimétrica de orientación de gases de salida descrita por Hauer
en la patente de los Estados Unidos n.º 4.994.660. La tobera
axisimétrica de orientación de gases de salida proporciona un medio
para orientar el empuje de una tobera convergente/divergente
mediante el pivotado universal de las aletas divergentes de la
tobera de forma asimétrica o, con otras palabras, pivotando las
aletas divergentes en direcciones radial y tangencial respecto de la
línea central sin orientar de la tobera. Las aletas son pivotadas
mediante un anillo de orientación el cual puede ser trasladado
axialmente y montado en una suspensión Cardan, o basculado alrededor
de su eje horizontal y vertical (esencialmente, tiene regulada su
posición de vuelo) mediante un intervalo limitado.
La tobera axisimétrica de orientación de gases de
salida, así como toberas más convencionales de gases de escape de
motor de turbina de gas, incluyen aletas, primarias y secundarias,
de gases de escape, dispuestas para definir una tobera de gases de
escape convergente-divergente de área variable. La
tobera de gases de escape es, genéricamente, axisimétrica o anular
y el flujo de gases de escape está confinado por las aletas
primarias, o convergentes, hasta la garganta de la tobera y, a
continuación, mediante aletas secundarias, o divergentes. Las
aletas divergentes, por ejemplo, tienen un extremo delantero que
define una garganta de un área mínima de flujo, y un extremo trasero
que tiene un área de salida de flujo mayor para definir una tobera
divergente que se extiende aguas abajo desde la garganta. Las
aletas divergentes son variables, lo que significa que el espaciado
entre las aletas divergentes, a medida que son desplazadas desde una
posición de menor radio hasta una posición de mayor radio, debe
aumentar necesariamente. Por consiguiente, los cierres estancos de
la tobera de gases de escape están fijados adecuadamente entre las
aletas divergentes contiguas para confinar el flujo de gases de
escape e impedir la fuga del flujo de gases de escape entre las
aletas divergentes.
Las toberas de orientación y, en particular, las
toberas axisimétricas de orientación de gases de salida del tipo
descrito en la referencia de Hauer, proporcionan aletas divergentes
posicionables. Estas aletas divergentes son posicionables, no sólo
simétricamente respecto de una línea central longitudinal de la
tobera de gases de escape, sino que también pueden ser
posicionables asimétricamente respecto de la misma, para obtener
orientación de cabeceo y guiñada. La tobera axisimétrica de
orientación de gases de salida, descrita por Hauer en la patente de
los Estados Unidos n.º 4.994.660, utiliza tres actuadores de
orientación para trasladar y bascular un anillo de orientación que
a su vez fuerza las aletas divergentes a posiciones predeterminadas.
El ángulo de basculación del anillo de orientación y la dirección
de basculación determinan el ángulo de orientación de la tobera y
la dirección de orientación, respectivamente. La traslación axial
del anillo de orientación determina el área de salida (a menudo
indicada como A9) para un área de garganta dada (a menudo indicada
como A8).
La aplicación de modernas aeronaves multimisión
emplea motores, tales como el motor GE F110, con toberas
convergentes/divergentes para cumplir los requisitos operativos. Las
toberas convergentes/divergentes tienen, dispuestas en serie con el
flujo, una sección convergente, una garganta y una sección
divergente. Característicamente, estas toberas emplean medios de
área variable, tanto en la garganta de tobera como en la salida de
tobera. Esto proporciona un medio para mantener una relación deseada
entre las áreas de salida y de tobera, la cual, a su vez, permite
un control eficiente sobre la operación de la tobera. La operación
de la tobera está diseñada para proporcionar una previsión de área
de salida/de garganta (A9/A8) de la tobera, el cual está optimizado
para el ciclo de diseño del motor e, idealmente, debería
proporcionar un control eficiente, tanto en condiciones de vuelo
subsónico bajo como supersónico alto. Estos tipos de toberas usan,
típicamente, actuadores neumáticos o hidráulicos para proporcionar
el funcionamiento variable. Típicamente, las áreas de salida y de
garganta están acopladas mecánicamente entre sí, de una forma tal
que crea una previsión de relación de áreas (A9/A8) que sea función
del área (A8) de garganta de tobera. Las toberas de orientación del
empuje tienen típicamente la aptitud para controlar
independientemente el área de salida de la tobera y el área de la
garganta, lo que permite que el motor consiga un nivel de
prestaciones mayor a lo largo de un amplio intervalo de condiciones
de operación del motor.
Durante la operación del motor y de la aeronave
es posible que el sistema de actuación hidráulico para la tobera
falle en uno, o en más de uno, de varios modos debido a un
funcionamiento defectuoso o daños de componentes, tales como los
debidos al combate. El fallo puede deberse a un funcionamiento
defectuoso mecánico o en el sistema de control, lo que es
típicamente detectado por un ordenador de control de vuelo y/o un
control electrónico de orientación utilizado para una tobera de
orientación del empuje. Un sistema de actuación de tobera como éste
ha sido provisto de una posición hidráulica a prueba de fallos
locales que utiliza actuadores de anillo de orientación para
retraer completamente, y en el caso de un anillo de orientación para
configurar la tobera, a una posición orientada fija a fin de que el
empuje del motor no esté orientado. Estos actuadores de orientación
también se usan para controlar A9. Sin embargo, la geometría de la
tobera resultante tiene una relación de áreas (A9/A8) muy grande lo
que impide la abertura de A8 y, por lo tanto, la operación del
aumentador y no es óptima desde el punto de vista aerodinámico. Un
sistema a prueba de fallos locales como éste no es bueno en
combate. La gran relación de áreas también puede ocasionar
separación de flujo de la columna de los gases de escape en el
interior de la sección divergente de la tobera. La separación
intermitente y la nueva fijación del flujo, particularmente, de
forma asimétrica respecto a la línea central del motor, podría
traducirse en una fuerza de orientación inadvertida. La apertura
completa de la parte divergente de la tobera se traduce en un
comportamiento cinemático de la tobera muy diferente, y la apertura
de la garganta de la tobera en esta elevada relación de áreas
podría dañar seriamente la tobera. La falta de aptitud para abrir
la garganta de la tobera impide la operación nominal del motor
cuando se está al ralentí en tierra, y en el modo postcombustión,
lo que podría ocasionar que la operación de la aeronave se desvíe
de la norma.
Estos inconvenientes están tratados en el
documento EP 0704615 A2 que describe un mecanismo a prueba de
averías locales que puede configurar rápidamente la tobera en un
modo de funcionamiento seguro en caso de que ciertos tipos de fallos
en sistemas hidráulicos, tales como el sistema a prueba de fallos
locales, puede operar con un efecto adverso mínimo sobre la
operabilidad en conjunto de la aeronave y de su motor,
particularmente durante el combate. Sin embargo, la tobera ya no
puede orientar el empuje lo que es una desventaja significativa
durante las operaciones en combate.
Una desventaja inherente y significativa de una
disposición de tres actuadores, es que existe una gran separación
entre dos actuadores cualesquiera para un tamaño de anillo
secundario dado. La ingeniería de la teoría de vigas dicta que la
flecha para una viga simplemente apoyada es proporcional a la carga
elevada a la primera potencia, y a la separación elevada al cubo, y
es inversamente proporcional a la rigidez. Con otras palabras, para
una carga y rigidez dadas, la flecha aumentará en un factor de ocho
(dos elevado al cubo) si la separación aumenta al doble. Una
disposición de tres actuadores para una tobera de orientación se
traduce en la separación más larga que es posible entre dos
actuadores y, por lo tanto, precisa la mayor rigidez posible y
ocasiona un anillo de actuación secundario pesado con el fin de
proporcionar una flecha de una magnitud mínima dada aceptable
durante el modo de desviación.
La desviación del anillo de actuación es
indeseable pues permite que el sistema divergente de una tobera de
orientación se descargue hacia el estado no orientado y, por lo
tanto, reduce las prestaciones de la orientación. La desviación
puede ser reducida maximizando la sección transversal y gestionando
el recorrido de la carga divergente con nervios internos, como se
describe en el documento PCT WO 98/20245 publicado el 14 de mayo de
1998. Otra desventaja inherente de una disposición de tres
actuadores para un sistema de orientación de tobera es el efecto
negativo que un funcionamiento defectuoso del sistema de actuación
podría tener sobre una operación de la aeronave. Tres actuadores
son el mínimo requerido para mantener el anillo secundario en una
posición y ángulo de basculación fijos. Si un actuador funciona
defectuosamente (por ejemplo, por un fallo hidráulico), entonces la
basculación del anillo ya no estaría restringida y se podría
producir una orientación sin que fuera ordenada de los gases de
escape. Un hecho como éste es altamente indeseable.
Las ocurrencias de defectos de funcionamiento en
el sistema de actuación del anillo de orientación se pueden reducir
hasta un nivel práctico añadiendo medidas preventivas que incluyen
componentes por duplicado, instalados en una configuración tal que
el fallo de uno cualquiera de los componentes no se traduzca en el
fallo de todo el sistema de actuación. Estas medidas preventivas
añaden coste, complejidad y peso al sistema. Un enfoque alternativo
a un funcionamiento defectuoso del sistema de actuación de anillo de
orientación es controlar el efecto de un funcionamiento defectuoso
utilizando medidas reactivas que podrían incluir la adición de
componentes para detectar el funcionamiento defectuoso y, a
continuación, posicionar activamente el anillo en una posición de
funcionamiento a prueba de fallos locales. Todos estos esquemas
añaden coste, complejidad y peso al sistema y, quizá, igualmente
tan importante, todos centran la basculación del anillo secundario
respecto de una posición neutra con lo cual eliminan toda capacidad
de orientación del sistema de tobera de orientación de gases de
escape. La eliminación de la capacidad de orientación, es
particularmente perjudicial si el sistema de la aeronave intenta
usar la orientación del empuje para un despegue o aterrizaje en
corto, como puede ser requerido para barcos dañados fuera de
control u operaciones en portaaviones o en condiciones de combate.
Por lo tanto, es altamente deseable tener una tobera axisimétrica
de orientación de gases de salida que tenga un sistema hidráulico de
funcionamiento a prueba de fallos locales, que minimice la carga
sobre el anillo de orientación, previo control de la relación de
áreas (A9/A8) de salida/de garganta de la tobera en el modo de
funcionamiento a prueba de fallos locales, y una realización que
permita que la tobera oriente el empuje al producirse un fallo en
un componente del sistema de actuación y no se traduzca en un fallo
de todo el sistema de actuación.
La presente invención es un sistema de actuación
de tobera a prueba de fallos locales para una tobera axisimétrica de
orientación de gases de salida de motor de turbina de gas que tiene
un anillo de orientación unido operativamente a una pluralidad de
aletas pivotantes que están dispuestas circunferencialmente
alrededor de una línea central de tobera y que limitan un recorrido
de flujo de gases de escape en la tobera. El sistema de actuación
de la tobera a prueba de fallos locales tiene un primer sistema de
actuación de la orientación que tiene un primer grupo de actuadores
unidos operativamente al anillo de orientación y un primer medio de
control a prueba de fallos locales para controlar la potencia al
primer grupo de actuadores. Un segundo sistema de actuación de la
orientación, que tiene un segundo grupo de actuadores unidos
operativamente al anillo de orientación y un segundo medio de
control a prueba de fallos locales, está provisto para controlar la
energía al segundo grupo de actuadores. Los actuadores del primer
grupo de actuadores están intercalados con los actuadores del
segundo grupo alrededor de la tobera.
La realización preferida proporciona dos grupo de
actuadores y dos sistemas correspondientes de actuación de la
orientación, teniendo cada uno de ellos un grupo de tres actuadores
a prueba de fallos locales. Sin embargo, la invención incluye el uso
de dos o más actuadores y la existencia de uno o más sistemas
correspondientes de actuación de la orientación. La realización
preferida del sistema de actuación de tobera a prueba de fallos
locales está accionada hidráulicamente.
Una realización más particular proporciona una
única fuente de energía hidráulica en forma de una bomba hidráulica
montada y accionada por un motor, operativa al estar comunicada con
el suministro de energía hidráulica con cada uno de los grupos de
actuadores primero y segundo y con el correspondiente medio de
control a prueba de fallos locales. Alternativamente, dos bombas
hidráulicas montadas y accionadas por motor se usan como las
fuentes primera y segunda de energía hidráulica que está cada una
únicamente comunicada, en la correspondiente alimentación de energía
hidráulica, con uno de los grupos de actuadores primero y segundo y
el medio de control a prueba de fallos locales correspondiente. Una
de las dos bombas también puede ser una bomba hidráulica de
aeronave que también se use para propulsar sistemas hidráulicos de
la aeronave. Alternativamente, se pueden usar dos bombas
hidráulicas de aeronave como las fuentes primera y segundas de
energía hidráulica que está cada una únicamente comunicada, en la
correspondiente alimentación de energía hidráulica, con la de los
grupos de actuadores primero y segundo, y con el correspondiente
medio de control a prueba de fallos locales, respectivamente.
Una realización alternativa de la presente
invención proporciona dos grupo de actuadores y dos sistemas de
actuación de la orientación correspondientes, teniendo cada uno un
grupo de dos actuadores a prueba de fallos locales. Sin embargo,
esta realización no provee orientación del empuje de la tobera en
el modo a prueba de fallos locales, sino que proporciona control de
la relación (A9/A8) de áreas de salida/de garganta de la tobera en
el modo a prueba de fallos locales.
La presente invención proporciona ventajas sobre
los diseños previos de tobera proporcionando la capacidad de llevar
una tobera de orientación del empuje hasta un modo a prueba de
fallos locales como respuesta a una señal de fallo o funcionamiento
defectuoso en el sistema hidráulico de actuación de la tobera sin
perder completamente la capacidad de orientación del empuje, lo que
es particularmente importante en condiciones de combate, y, además,
minimiza la carga sobre el anillo de orientación. La presente
invención también proporciona control del área (A9/A8) de salida/de
garganta de la tobera cuando la tobera de orientación del empuje se
encuentra en modo a prueba de fallos locales.
Las novedosas características de la presente
invención se exponen y diferencian en las reivindicaciones. La
invención, junto con objetivos y ventajas adicionales de la misma,
se describe más particularmente conjuntamente con los dibujos que se
acompañan en los cuales:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una
tobera axisimétrica de orientación de gases de salida que tiene un
sistema de actuación de tobera a prueba de fallos locales de
acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 2 es una vista esquemática en
perspectiva que representa unas posiciones de los actuadores y del
anillo de orientación del sistema de actuación de tobera a prueba
de fallos locales de la figura 1.
La figura 3 es una vista esquemática del sistema
de actuación de acuerdo con una realización de la presente
invención.
La figura 4 es una vista esquemática del sistema
de actuación de acuerdo con una realización alternativa de la
presente invención.
La figura 5 es una vista en sección transversal
de una aeronave que tiene un motor y una tobera de orientación con
un sistema de actuación a prueba de fallos locales de acuerdo con
una realización de la presente invención.
En la figura 1 se ilustra una realización de la
presente invención como un sistema de actuación de tobera a prueba
de fallos locales, genéricamente señalado con la referencia 2, para
una tobera 14 axisimétrica de orientación del empuje en una sección
10 de escape de un motor de turbina de gas de aeronave (no mostrado
en su totalidad). La sección 10 de escape contiene el flujo 4
caliente de gases de escape en el trayecto del flujo de gases de
escape, está dispuesta circunferencialmente alrededor de una línea 8
central del motor, e incluye, en serie con el flujo, un conducto o
carcasa 11 del motor de área fija, que incluye un revestimiento 12
de postquemador, y un área variable aguas abajo de la sección 13 de
la tobera 14 axisimétrica de orientación del empuje, del tipo
convergente/divergente similar a la que se ha hecho referencia
previamente en la patente de Hauer. Haciendo referencia a la figura
1, la tobera 14 comprende, en serie con el flujo, una sección
convergente 34, una garganta 40 y la sección divergente 48. La
sección convergente 34 incluye una pluralidad de aletas 50
convergentes, o primarias, dispuestas circunferencialmente
alrededor de la línea 8 central del motor con superposición de los
cierres estancos 51 primarios dispuestos entre, y con acoplamiento
estanco, la superficie de las aletas 50 primarias,
circunferencialmente contiguas, dirigida radialmente hacia dentro.
Cada aleta 50 primaria está unida por pivote en su extremo de proa
a la carcasa 11 mediante una primera junta 52 pivotante o de
horquilla. Cada aleta 54 divergente está unida por pivote en su
extremo 53 delantero al extremo trasero de la aleta 50 primaria que
está contigua aguas abajo de la misma, mediante un medio 56 junta
universal de dos grados de libertad (2 DOF) generalmente en una
posición axial en la tobera 14 que coincide con la garganta 40. Las
aletas 54 divergentes están, genéricamente, dispuestas
circunferencialmente alrededor de la línea 8 central del motor con
superposición de los cierres estancos 55 secundarios, o
divergentes, dispuestos entre, y con acoplamiento estanco, la
superficie de las aletas 54 divergentes circunferencialmente
contiguas, dirigida radialmente hacia dentro. Los cierres estancos
55 divergentes están diseñados para cerrar de forma estanca las
aletas 54 divergentes durante la operación de la tobera cuando la
presión de la tobera, la presión radialmente hacia dentro de las
aletas y de los cierres estancos, es normalmente mayor que la
presión en el exterior de la tobera, típicamente la presión del aire
ambiente o la del compartimiento de la tobera. La garganta 40
tiene, asociada con ella, un área de garganta indicada
convencionalmente por A8, y la salida de tobera 44 está,
generalmente, en el extremo de las aletas 54 divergentes y tiene un
área de salida asociada con ella, indicada convencionalmente por
A9.
Una pluralidad de rodillos 62 de leva están
dispuestos en un anillo 66 primario el cual a su vez es trasladado
hacia proa y hacia popa por una pluralidad de primeros actuadores
70 de tobera, de los cuales hay cuatro en la realización preferida.
El área A8 variable de garganta está controlada por la acción de un
rodillo 62 de leva sobre la superficie 60 de leva que está formada
sobre la parte trasera de la aleta 50 primaria. En operación, la
alta presión de los gases de escape dentro de la tobera, fuerza las
aletas 50 primarias y las aletas 54 divergentes radialmente hacia
fuera manteniendo, de este modo, la superficie 60 de leva en
contacto con uno de los rodillos 62 de leva. Un soporte 76 cónico
del actuador anular está montado por su extremo estrecho de proa a
la carcasa 11 del motor, y el primer actuador 70 de tobera, está
unido por pivote al extremo ancho de popa del soporte 76 del
actuador mediante una junta 74 esférica. El primer actuador 70 de
tobera tiene una biela 73 de actuador que a su vez está unida al
anillo 66 primario mediante una junta 68 esférica.
Un primer grupo de primeros actuadores 90A de
orientación, de los cuales hay tres en la realización preferida,
están equiespaciados angularmente dispuestos circunferencialmente
alrededor de la carcasa 11, y están montados en el soporte 76 del
actuador mediante juntas 94 esféricas de forma similar a los
primeros actuadores 70 de tobera. Un segundo grupo de segundos
actuadores 90B de orientación, de los cuales hay tres en la
realización preferida, están equiespaciados angularmente dispuestos
circunferencialmente alrededor de la carcasa 11 intercalados con el
primer grupo de primeros actuadores 90A de orientación, y montados
en el soporte 76 del actuador mediante juntas 94 de forma similar a
los terceros actuadores 70 de tobera. Los grupos de primeros y
segundos actuadores 90A y 90B de orientación están intercalados
entre sí de tal forma que están separados un ángulo A entre todos
los primeros y segundos actuadores 90A y 90B, respectivamente, de
orientación contiguos. En la realización ejemplar de la presente
invención ilustrada en las figuras, hay tres primeros actuadores 90A
de orientación y tres segundos actuadores 90B de orientación, y el
ángulo A tiene 60 grados. Un anillo 86 de orientación está unido a
los primeros y segundos actuadores 90A y 90B, respectivamente, de
orientación en el extremo de popa de las bielas 93 del actuador de
orientación de cada uno de los actuadores de orientación mediante
una junta 96 esférica. Esto provee un medio para que el anillo 86
de orientación sea trasladado axialmente y basculado alrededor de
una línea 8 central con el fin de controlar su posición de vuelo así
como su desplazamiento axial a lo largo de la línea 8 central del
motor. El anillo 86 de orientación controla el posicionamiento o
pivotamiento de las aletas 54 divergentes. La aleta divergente 54
está unida por pivote a la aleta 50 primaria mediante un medio 56
junta universal de 2 DOF y está controlada por pivote de una forma
que dispone de varios grados de libertad mediante una pluralidad de
correspondientes bastidores 59 en Y, que tienen brazos 58a y 58b de
control que unen operativamente el anillo 86 de orientación a la
aleta 54 divergente. Las aletas 64 exteriores están, al menos
parcialmente, sustentadas por bastidores 59 en Y y proporcionan una
forma aerodinámica limpia y suave a lo largo del exterior de la
tobera.
Los brazos de control 58a y 58b están unidos al
anillo 86 de orientación mediante juntas 82 esféricas de 3 grados
de libertad, y al extremo de popa de la aleta 54 divergente
mediante una junta 84 esférica. Esta unión es operativa para
trasladar un cambio en la posición de vuelo del anillo 86 de
orientación a un cambio de pivotado de varios grados de libertad o
movimiento orbital de la aleta 54 divergente por medio del cual cada
aleta 54 divergente puede ser pivotada un ángulo diferente. El uso
de juntas 82 esféricas para fijar los brazos 58a y 58a de control
provee el pivotado del bastidor 59 en Y del tipo horquilla mientras
impide que cualesquiera cargas de torsión, que puedan ser impartidas
a cualesquiera brazos 58a o 58b de control, sean transferidas de
nuevo al anillo 86 de orientación. El elemento resistente principal
92 proporciona una montura para la aleta 54 divergente y un soporte
para las juntas 84 y 56 en sus dos extremos.
Las toberas de orientación del empuje orientan el
empuje mediante el posicionamiento de aletas 54 divergentes y
cierres estancos 55 axisimétricamente respecto de la línea 8
central y, por lo tanto, las posiciones radial y circunferencial y
la posición de vuelo de las aletas divergentes y cierres estancos.
El anillo 86 de orientación está trasladado y cardaneado alrededor
de la línea 8 central de la tobera mediante los tres primeros
actuadores 90A de orientación y los tres segundos actuadores 90B de
orientación que actúan de común acuerdo para orientar el empuje y
trasladar el anillo de orientación para acomodar y/o controlar el
área A9 variable de salida, y configurar la relación A9/A8 área de
salida área de garganta. El área A8 variable de garganta puede ser
configurada independientemente por traslación del anillo 66 primario
mediante los primeros actuadores 70 para configurar la relación
A9/A8 área de salida área de garganta.
Como alternativa, ambos juegos de actuadores y
anillos pueden ser usados en combinación para configurar la relación
A8/A9 área de salida área de garganta. En una emergencia, cuando el
sistema 2 de actuación está situado en un modo a prueba de fallos
locales, tal que únicamente el primer grupo de primeros actuadores
90A de orientación o el segundo grupo de segundos actuadores 90B de
orientación puede ser operado y el otro está a prueba de fallos
locales, cualquier configuración pueden ser usada para accionar el
anillo 86 trasladándolo y cardaneándolo alrededor de la línea 8
central. El sistema 2 de actuación incluye un controlador
electrónico que puede ser una unidad separada o parte de un control
electrónico de orientación VEC. La presente invención proporciona el
sistema 2 de actuación de tobera a prueba de fallos locales con dos
sistemas 2A y 2B, primero y segundo, respectivamente, de actuación
de la orientación controlados por separado. El primer sistema 2A de
actuación de la orientación únicamente controla el primer grupo de
primeros actuadores 90A de orientación, y el segundo sistema 2B de
actuación de la orientación únicamente controla el segundo grupo de
segundos actuadores 90B de orientación.
En la figura 2 se ilustra la disposición de los
primeros actuadores 90A de orientación intercalados con el segundo
grupo de segundos actuadores 90B de orientación alrededor de la
tobera mostrando que cualquier grupo puede ser operado, mientras el
otro grupo está a prueba de fallos locales para accionar el anillo
86 trasladándolo a lo largo de la línea 8 central y cardaneándolo
alrededor de la misma. También se ilustra la ventaja de
proporcionar una separación S circular más pequeña a lo largo del
anillo 86 entre puntos P de fijación de los primeros actuadores 90A
de orientación y el segundo grupo de segundos actuadores 90B de
orientación al anillo de orientación. Esto permite un anillo 86
menos corpulento y un anillo de orientación de menor peso. Los seis
actuadores son de menor tamaño de los que serían necesarios si
únicamente se usaran tres, de tal forma que el peso en conjunto del
sistema de orientación de tobera se mantiene en un mínimo. El peso
en conjunto para un sistema de seis actuadores puede incluso ser
menor que para un sistema de tres actuadores, así como formando
parte de un sistema a prueba de fallos locales que permita, al
menos una orientación parcial del empuje si un grupo de tres
actuadores queda inoperativo durante el combate.
La presente invención proporciona un sistema 2 de
actuación de tobera a prueba de fallos locales que tiene los dos
sistemas 2A y 2B, primero y segundo, respectivamente, de actuación
de la orientación, controlados por separado, los cuales se ilustran
con más detalle en la figura 3. El primer sistema 2A de actuación de
la orientación controla la actuación de un primer actuador 90A1 de
orientación, de un segundo actuador 90A2 de orientación y de un
tercer actuador 90A3 de orientación usando un primer juego
servoválvula de actuador que contiene una primera servoválvula 16A1
de actuador, una segunda servoválvula 16A2 de actuador y una
tercera servoválvula 16A3 de actuador cada una de las cuales
únicamente controla el actuador 90A1-90A3 de
orientación correspondiente. Análogamente, el segundo sistema 2B de
actuación de la orientación controla la actuación de un segundo
juego de actuadores 90B1-90B3 cuarto, quinto y
sexto, respectivamente, de orientación, usando un segundo juego
servoválvula de actuador, que contiene una cuarta servoválvula 16B1
de actuador, una quinta servoválvula 16B2 de actuador y una sexta
servoválvula 16B3 de actuador, cada una de las cuales únicamente
controla el actuador 90B1-90B3 de orientación
correspondiente, cuarto, quinto o sexto. Cada juego y cada una de
las tres servoválvulas en cada juego es controlable
independientemente. Es preferible que las servoválvulas en ambos
sistemas estén empaquetadas en una válvula 3 de control para
minimizar el número de componentes añadidos. Alternativamente, cada
juego de tres servoválvulas puede ser empaquetada en válvulas de
control separadas o integradas en sus actuadores
correspondientes.
Los sistemas primero y segundo 2A y 2B de
actuación de la orientación tienen válvulas 18A y 18B, primera y
segunda, de aislamiento del suministro dispuestas operativamente en
líneas 19A y 19B, primera y segunda, de suministro,
respectivamente, las cuales llevan a colectores 20A y 20B, primero y
segundo, de la línea de suministro desde una fuente de energía
hidráulica H. Los sistemas 2A y 2B, primero y segundo, de actuación
de la orientación tienen primeras y segundas válvulas 22A y 22B de
aislamiento del retorno operativamente situadas en líneas 23A y 23B,
primera y segunda, respectivamente, de retorno las cuales se alejan
de los colectores 24A y 24B, primero y segundo, respectivamente, de
la línea de retorno hacia la fuente de energía hidráulica H. Esto
permite que el sistema 2 de actuación de tobera a prueba de fallos
locales aísle el sistema 2A o 2B operativo de actuación de la
orientación del resto del sistema si se detectara un funcionamiento
defectuoso o una fuga en el sistema a prueba de fallos locales. Una
primera válvula 26A de recirculación está dispuesta operativamente
entre el primer colector 20A de la línea de suministro y el primer
colector 24A de la línea de retorno y proporciona un medio para
permitir que el fluido hidráulico fluya directamente entre las
cámaras 28 de cabeza y las cámaras 30 de biela de un grupo de
actuadores a prueba de fallos locales.
La puesta en modo a prueba de fallos locales del
primer sistema 2A de actuación de la orientación está realizada por
el sistema 2 de actuación de tobera a prueba de fallos locales que
cierra la primera válvula 18A de aislamiento del suministro y la
primera válvula 22A de aislamiento del retorno. El primer sistema 2A
de actuación de la orientación configura el primer juego de tres
servoválvulas 16A1-16A3 a posiciones que permiten
que el fluido hidráulico fluya desde los primeros colectores 20A de
la línea de suministro a través de un primer grupo de líneas 102H
de colector, hasta las cámaras 28 de cabeza y entre el primer
colector 24A de la línea de retorno a través de líneas de biela
102R hasta las cámaras 30 de biela de los primeros tres actuadores
de orientación 90A1-90A3, respectivamente, y
proporciona un medio para permitir que el fluido hidráulico fluya
directamente entre las cámaras 28 de cabeza y las cámaras 30 de
biela de un grupo de actuadores a prueba de fallos locales. El
primer sistema 2A de actuación de la orientación también abre la
primera válvula 26A de recirculación para permitir que el fluido
hidráulico pase entre el primer colector 20A de la línea de
suministro y el primer colector 24A de la línea de retorno.
Análogamente, si, por contra, son los segundos
tres actuadores 90B1-90B3 de orientación los que han
de ser a prueba de fallos locales, el sistema 2 de actuación de
tobera a prueba de fallos locales cierra la segunda válvula 18B de
aislamiento de la alimentación y la segunda válvula 22B de
aislamiento del retorno. El segundo sistema 2A de actuación de la
orientación configura el segundo juego de tres servoválvulas
16B1-16B3 a las posiciones que permiten que el
fluido hidráulico pase entre los segundos colectores 20B de la
línea de suministro y las cámaras 28 de cabeza y entre el segundo
colector 24B de la línea de retorno y las cámaras 30 de biela de
los segundos tres actuadores 90B1-90B3 de
orientación, respectivamente. El segundo sistema 2B de actuación de
la orientación también abre la segunda válvula 26B de recirculación
para permitir que el fluido hidráulico pase entre el segundo
colector 20B de la línea de suministro y el segundo colector 24B de
la línea de retorno.
Una realización alternativa de la presente
invención con un total de cuatro actuadores se ilustra en la figura
4, y proporciona un sistema 2 de actuación de tobera a prueba de
fallos locales que tiene únicamente dos sistemas 2A y 2B, primero y
segundo, respectivamente, de actuación de la orientación controlados
por separado, cada uno únicamente con dos actuadores de
orientación. El primer sistema 2A de actuación de la orientación
controla la actuación de un primer actuador 90A1 de orientación y de
un segundo actuador 90A2 de orientación usando un primer juego de
servoválvula de actuador que contiene una primera servoválvula 16A1
de actuador y una segunda servoválvula 16A2 de actuador, cada una
de las cuales únicamente controla el actuador de orientación
correspondiente de entre los actuadores 90A1 y 90A2. Análogamente,
el segundo sistema 2B de actuación de la orientación controla la
actuación de los actuadores 90B1 y 90B2, tercero y cuarto,
respectivamente, de orientación usando un segundo juego de
servoválvula de actuador que contiene una tercera servoválvula 16B1
de actuador y una cuarta servoválvula 16B2 de actuador, cada una de
las cuales únicamente controla el actuador de orientación
correspondiente de entre los actuadores de orientación 90B1 y 90B2,
tercero y cuarto. Cada juego y cada una de las dos servoválvulas en
cada juego se controla independientemente. Es preferible que las
servoválvulas en ambos sistemas estén empaquetadas en una válvula 3
de control para minimizar el número de componentes añadidos.
Alternativamente cada juego de dos servoválvulas puede ser
empaquetado en válvulas de control separadas, o integrado en sus
actuadores correspondientes. Aunque esta realización no provee
orientación del empuje de la tobera en el modo a prueba de fallos
locales, permite controlar la relación (A9/A8) de áreas de salida/de
garganta de la tobera en el modo a prueba de fallos locales, y para
el diseño y la construcción de un sistema de actuación de tobera a
prueba de fallos locales de peso ligero para la tobera 14
axisimétrica de orientación del empuje.
En la figura 5 aparecen ilustradas las diversas
disposiciones y localización de bombas hidráulicas que podrían ser
usadas para suministrar energía hidráulica a los sistemas 2A y 2B,
primero y segundo, de actuación de la orientación, a través de los
colectores 20A y 20B primero y segundo de la línea de suministro y
de los colectores 24A y 24B primero y segundo, de la línea de
retorno, respectivamente. Se ilustra un motor 130 que tiene la
sección 10 de gases de escape y la tobera 14 de orientación
montados en una aeronave 132 de tipo militar. Los primeros y
segundos actuadores 90A y 90B de actuación de la orientación
también se muestran en el dibujo para ayudar a ilustrar la sección
10 de gases de escape y de la tobera 14 de orientación. Un árbol de
transmisión 134, accionado por el rotor 138 de un motor, se
extiende hacia abajo desde el rotor hasta una caja 140 de
engranajes de reducción del motor, la cual tiene un engranaje en
ángulo recto para accionar un árbol 142 de toma de energía (PTO)
que se extiende hacia proa, hacia la parte frontal del motor 130.
Montadas en el motor 130, y por debajo del mismo, hay bombas
hidráulicas 146 y 148, primera y segunda, respectivamente, montadas
en el motor que se extienden hacia popa desde la caja 140 de
engranajes de reducción del motor, por la que están accionadas. Las
bombas hidráulicas 146 y 148 primera y segunda montadas en el motor
se usan para suministrar energía hidráulica al motor y a los
accesorios de motor. El árbol 134 se extiende hacia proa para
accionar una caja 150 de engranajes de reducción de accesorios que
a su vez tiene un sistema de engranajes adecuado para accionar
varios accesorios para la aeronave 132. La caja 150 de engranajes
de reducción de accesorios está montada en la aeronave 132 mediante
montajes 152 adecuados de bastidor, y está conectada al árbol de
toma de energía mediante un adaptador 154 de desalineación.
La figura 5 sirve como guía para ilustrar las
diferentes fuentes de energía hidráulica H para los sistemas 2A y
2B, primero y segundo, de actuación de la orientación. Una
realización de la presente invención utiliza las bombas hidráulicas
146 y 148, primera y segunda, montadas en el motor para
proporcionar la fuente de energía hidráulica H para los sistemas 2A
y 2B, primero y segundo, de actuación de la orientación,
respectivamente. Alternativamente, únicamente se puede usar una de
las bombas hidráulicas montadas en el motor, ya que la fuente de
energía hidráulica H que tiene las líneas 19A y 19B, primera y
segunda, de suministro se funde en una línea que lleva a una bomba
hidráulica en un punto entre las válvulas 18A y 18B de aislamiento
y la fuente H en la figura 3. Análogamente, bien una o ambas bombas
hidráulicas 156 y 158, primera y segunda, montadas en la aeronave,
respectivamente, que están montadas sobre, y son accionadas por, la
caja 150 de engranajes de reducción de accesorios, pueden ser usadas
para propulsar los sistemas 2A y 2B, primero y segundo, de
actuación de la orientación. Alternativamente, una de las bombas
hidráulicas montadas en el motor y una de las bombas hidráulicas
montadas en la aeronave pueden ser utilizadas para propulsar
únicamente uno de los sistemas 2A y 2B de actuación de la
orientación. El servicio que prestan estas posiciones alternativas
para la energía hidráulica para accionar y activar la tobera de
orientación es bastante evidente. El daño sufrido en parte de la
aeronave puede dañar una de las bombas permitiendo, de este modo,
que una bomba en otra parte de la aeronave se mantenga operativa
para propulsar la tobera de orientación.
Con referencia de nuevo a la figura 1, el anillo
86 de orientación está sustentado por tres medios 100 de soporte
del anillo de orientación axialmente ajustables, equiespaciados
angularmente dispuestos circunferencialmente alrededor de una
carcasa 11, que permite que el anillo 86 de orientación sea
trasladado axialmente y montado en una suspensión Cardan mediante
los actuadores 90A y 90B de orientación. Un bastidor 210 en A de
traslación axial sustenta el anillo 86 de orientación mediante una
junta 206 esférica de 3 grados de libertad. El bastidor 210 en A
está fijado por pivote a una corredera 220 con un medio 208 de
articulación de tipo horquilla en forma de juntas esféricas en los
extremos de brazos 211a y 211b. El uso de juntas esféricas en los
extremos de brazos 211a y 211b proporciona el pivotamiento de tipo
horquilla para el bastidor 210 en A y, además, elimina la
transferencia de cargas de torsión que puedan ser impartidas a los
brazos. La corredera 220 es deslizable a lo largo de una barra 226
de corredera hueca que está fijada a la carcasa 11 del motor
mediante un soporte 236 delantero y un soporte 230 trasero. El medio
100 de sustentación del anillo de orientación permite que el anillo
86 de orientación se traslade axialmente hacia proa y hacia popa y
que bascule para cambiar su posición de vuelo. Una descripción más
detallada del medio 100 de sustentación del anillo de orientación
puede encontrarse en la patente de los Estados Unidos n.º 5.174.502
de Lippmeier y colaboradores, titulada ``Support For A
Translating Nozzle Vectoring Ring''.
Aunque la realización preferente de nuestra
invención haya sido completamente descrita con el fin de explicar
sus principios, se sobrentiende que se pueden hacer varias
modificaciones y alteraciones a la realización preferida sin salirse
del alcance de la invención como queda expuesta en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (10)
1. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales para una tobera (14) axisimétrica de orientación
de gases de salida de un motor de turbina de gas que tiene un
anillo (86) de orientación unido operativamente a una pluralidad de
aletas (50) pivotantes que están dispuestas circunferencialmente
alrededor de una línea (8) central de tobera y que limitan un
recorrido (4) de flujo de gases de escape en la tobera (14),
comprendiendo el mencionado sistema (2) de actuación de tobera a
prueba de fallos locales:
un primer sistema (2A) de actuación de la
orientación que tiene un primer grupo de actuadores (90A) unidos
operativamente al mencionado anillo (86) de orientación y un primer
medio de control a prueba de fallos locales para controlar la
potencia al mencionado primer grupo de actuadores,
un segundo sistema (2B) de actuación de la
orientación, que tiene un segundo grupo de actuadores (90B) unidos
operativamente al mencionado anillo (86) de orientación, y un
segundo medio de control a prueba de fallos locales para controlar
la energía al mencionado segundo grupo de actuadores, y
los mencionados actuadores del mencionado primer
grupo están intercalados con los mencionados actuadores del segundo
grupo alrededor de la tobera (14).
2. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 1, en el cual el sistema
(2) de actuación de tobera a prueba de fallos locales está
accionado hidráulicamente.
3. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 2, que comprende, además,
una única fuente de energía hidráulica (H) comunicada para
suministrar energía hidráulica con cada uno de los mencionados
primeros y segundos medios de control a prueba de fallos
locales.
4. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 2, que comprende, además,
fuentes de energía hidráulica (H) primera y segunda,
respectivamente, que están comunicadas, en la correspondiente
alimentación de energía hidráulica, únicamente con cada uno de los
mencionados medios de control a prueba de fallos locales, primero y
segundo, respectivamente.
5. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 4, que comprende,
además:
los mencionados medios de control a prueba de
fallos locales, primero y segundo, son operativos para poner en modo
a prueba de fallos locales el correspondiente de entre los
mencionados grupos de actuadores (90A), primero y segundo, tal que
permita que un grupo de actuadores a prueba de fallos locales se
extienda hasta posiciones correspondientes a cualquier posición y
posición de vuelo del mencionado anillo (86) de orientación
configurado por un medio de control no a prueba de fallos locales,
distinto de los mencionados grupos de actuadores (90A y 90B) primero
y segundo.
6. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 5, que tiene únicamente
dos grupos de actuadores, teniendo cada uno de los mencionados
grupo de actuadores (90A1, 90A2, 90A3) (90B1, 90B2, 90B3) primero y
segundo, únicamente tres de los mencionados actuadores.
7. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 5, que tiene únicamente
dos grupos de actuadores, teniendo cada uno de los mencionados
grupo de actuadores (90A1, 90A2) (90B1, 90B2) primero y segundo,
únicamente dos de los mencionados actuadores.
8. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 5, en el cual;
los mencionados medios de control a prueba de
fallos locales primero y segundo incluyen una válvula (26A, 26B) de
recirculación dispuesta operativamente entre las cámaras (28) de
cabeza y las cámaras (30) de biela de los mencionados actuadores,
y
los mencionados medios de control a prueba de
fallos locales primero y segundo y la mencionada válvula de
recirculación son operativos para permitir que el fluido hidráulico
fluya directamente entre las cámaras (28) de cabeza y las cámaras
(30) de biela de un grupo de actuadores a prueba de fallos locales,
cuando uno de los mencionados grupo de actuadores está en modo a
prueba de fallos locales.
9. Un sistema (2) de actuación de tobera a prueba
de fallos locales según la reivindicación 8, en el cual las
mencionadas fuentes de energía hidráulica (H) primera y segunda son
dos bombas (146, 148) accionadas hidráulicamente montadas en el
motor, en las cuales cada una de las mencionadas bombas es operativa
para suministrar energía hidráulica (H) únicamente a uno de los
mencionados grupos de actuadores y al correspondiente medio de
control a prueba de fallos locales.
10. Un sistema (2) de actuación de tobera a
prueba de fallos locales según la reivindicación 8, en el cual las
mencionadas fuentes de energía hidráulica (H) primera y segunda son
bombas hidráulicas, de las cuales al menos una de las mencionadas
bombas es una bomba (156) hidráulica de la aeronave, también usada
para propulsar los sistemas hidráulicos de la aeronave.
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