ES2208850T3 - Conjunto de montaje para un petalo principal divergente de una tobera de geometria variable. - Google Patents
Conjunto de montaje para un petalo principal divergente de una tobera de geometria variable.Info
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Abstract
BARRAS DE COMPRESION (11, 12) PARA CHAPAS METALICAS PATRON (6) DE BOQUILLAS DE GEOMETRIA VARIABLE, DEL TIPO QUE TIENE UN SISTEMA DE COMANDO FORMADO POR TRES PIEZAS ANULARES (7, 8, 9), ESTANDO LA PIEZA ANULAR EXTERNA (9) DIVIDIDA EN DOS MEDIOS ANILLOS (9A, 9B), QUE UNE AMBOS MEDIOS ANILLOS (9A, 9B) Y LA CORRESPONDIENTE CHAPA METALICA PATRON DIVERGENTE, Y QUE PUEDE ESTAR FORMADO POR DOS BARRAS (11, 12) UNIDAS EN UN EXTREMO MEDIANTE JUNTAS ESPECIFICAS O CARDANICAS AL ANILLO EXTERIOR (9), Y UNIDAS ENTRE ELLAS MEDIANTE UNA ARTICULACION CILINDRICA (33, 37) CONSIDERABLEMENTE PERPENDICULAR CON RESPECTO AL PLANO QUE CONTIENE AMBAS BARRAS (11, 12) Y MEDIANTE UNA PIEZA DE TRANSICION (16) QUE UNE LAS CHAPAS METALICAS PATRON DIVERGENTES UNIDAS A LAS DOS BARRAS (11, 12) MEDIANTE ARTICULACIONES CILINDRICAS (34, 42, 36, 41) CON LA SUFICIENTE SOLTURA COMO PARA ABSORBER LOS CAMBIOS A DISTANCIA ENTRE LOS EXTREMOS DE AMBAS BARRAS (11, 12).
Description
Conjunto de montaje para un pétalo principal
divergente de una tobera de geometría variable.
La invención se refiere a turbomotores y,
particularmente, a un conjunto de montaje para un pétalo principal
divergente de una tobera de geometría variable.
Los turbomotores para aeronaves obtienen empuje
descargando gas caliente a través de una tobera de escape.
Es necesaria una tobera divergente/convergente de
área variable con el fin de obtener un buen rendimiento para una
aplicación de múltiples misiones. El máximo rendimiento se obtiene
con un control independiente de la garganta de tobera de escape y
las zonas de salida. Con esto, se obtiene la máxima expansión de
los gases y, por tanto, un máximo empuje en todo momento.
Uno de los objetivos de los diseñadores es
aumentar la maniobrabilidad de la aeronave, especialmente en
aquellas condiciones de vuelo en las que las superficies de control
aerodinámico comienzan a perder su eficacia. Una manera de alcanzar
este objetivo es dirigiendo el flujo de gas desde la dirección
axial, para alcanzar una componente de empuje que se dirija hacia
arriba, hacia abajo o hacia un lado. Actualmente, existen varias
soluciones con toberas divergentes/convergentes bidimensionales,
tal como la descrita en la patente de los EE.UU. nº 4.763.840. Sin
embargo, estas toberas sólo pueden orientar el gas en una dirección
(generalmente la inclinación longitudinal) y éstas son más pesadas
que las toberas convergentes/divergentes axisimétricas.
Existen distintos sistemas de toberas
divergentes/convergentes orientables de empuje tridimensionales.
Todos estos sistemas pueden clasificarse en tres grupos
principales:
- Aquellos que orientan toda la tobera de escape
corriente arriba de la sección convergente. Debido al hecho de que
la alteración de la geometría se realiza corriente arriba de la
garganta, se producen turbulencias en la turbina. Además, se
requiere un dispositivo de estanqueidad muy complicado.
- Aquellos que orientan el flujo en la misma
salida de la tobera de escape, más corriente abajo de ésta. Con
este sistema existe una reducción de la eficacia y el peso aumenta
ya que este sistema requiere un dispositivo adicional.
- Aquellos que orientan el segmento divergente de
la tobera de escape. Con este sistema, se minimizan las
turbulencias corriente arriba de la turbina. El aumento de peso es
inferior al caso anterior, debido al hecho de que la propia tobera
orienta el flujo sin ayuda de ningún otro dispositivo adicional.
Dentro de este tercer grupo, la realización más
común incluye, tal como se muestra en la patente de los EE.UU. nº
5.082.182, una sección convergente que consta de una pluralidad de
pétalos principales y una pluralidad de pétalos secundarios, con el
fin de proporcionar una estanqueidad adecuada. La zona de garganta
está controlada por el mecanismo de leva y rodillo bien conocido. El
control del área de garganta requiere varios actuadores
lineales.
Corriente abajo de esta sección convergente
existe una sección divergente que consta de la misma pluralidad de
pétalos divergentes principales y una pluralidad de pétalos
secundarios con fines de proporcionar una estanqueidad adecuada.
Los pétalos divergentes principales están conectados a pétalos
convergentes principales por varillaje universal. El varillaje
permite el movimiento radial y lateral de los pétalos divergentes
principales, permitiendo con ello la orientación del flujo de
gas.
Los pétalos divergentes principales están
conectados a un anillo exterior por montantes de carga. La conexión
del montante al pétalo divergente principal se lleva a cabo a
través de un varillaje esférico, mientras que la conexión al anillo
exterior se realiza a través de un varillaje cilíndrico.
El anillo exterior controla tanto la zona de
salida como la orientación del flujo. Este anillo exterior requiere
al menos tres actuadotes lineales.
Con esta realización, se requieren dos sistemas
actuadotes independientes, interiores y exteriores.
En el documento EP 0557229B1 se describe otra
tobera de geometría variable. Esta se caracteriza por el hecho de
que controla la zona de garganta, la zona de salida y la
orientación de flujo únicamente con un conjunto de actuadotes
lineales. Esto implica una reducción del coste y un diseño más
simple del sistema actuador.
Este sistema único consta de tres anillos,
concéntricos entre ellos y con el eje de la turbina, y que tienen
una pluralidad de actuadotes lineales conectados por sus extremos
corriente arriba a la estructura de la turbina.
Los anillos anteriormente mencionados están
conectados entre sí y a la estructura de la turbina a través de
elementos de varillaje y dispositivos de guiado que permiten el
desplazamiento axial colectivo de los tres anillos en igual
magnitud, con respecto a la estructura de la turbina, así como un
movimiento giratorio relativo de los anillos intermedios y
exteriores entre ellos y con respecto al anillo interno,
permitiendo con ello que el anillo exterior se incline en cualquier
dirección con el centro de rotación en el eje de la turbina.
Los pétalos convergentes principales están
conectados en un punto de su segmento corriente arriba al anillo
interno por varillajes cilíndricos, tangenciales a una
circunferencia teórica que es concéntrica al eje longitudinal del
motor y está situada en un plano teórico perpendicular a un eje
longitudinal de este tipo.
Los pétalos principales de la sección divergente
están subdivididos transversalmente en, al menos, dos segmentos que
están conectados entre sí por un varillaje cilíndrico perpendicular
al de un varillaje entre los pétalos principales de las secciones
convergentes y divergentes. Los pétalos divergentes principales
están conectados en un punto de su segmento corriente arriba a los
pétalos convergentes principales por varillajes cilíndricos,
paralelos a los varillajes entre el anillo interno y los pétalos
convergentes principales. El segmento corriente abajo está conectado
al anillo exterior a través de un montante de carga que está
conectado a ese segmento por un varillaje esférico y al anillo
exterior por un varillaje cilíndrico, tangencial a una
circunferencia teórica que es concéntrica al eje longitudinal del
motor y está situada en un plano teórico perpendicular a un eje
longitudinal de este tipo. La invención se refiere a dicho montante
de carga.
El anillo exterior está conectado a extremos
corriente abajo de los actuadotes lineales por varillajes
esféricos. El anillo exterior está dividido en dos
semi-anillos que están conectados entre sí por un
varillaje cilíndrico, perpendicular al eje teórico del motor. El
varillaje permite un movimiento giratorio relativo de los
semi-anillos exteriores entre ellos obteniendo el
control de salida o permitiendo que el anillo exterior se incline en
cualquier dirección con el centro de rotación en el eje de la
turbina como un anillo único, orientando el flujo en cualquier
dirección.
En la patente EP 0557229B1 los pétalos
principales se distribuyen de tal manera que la mitad de ellos
están conectados a uno de los dos semi-anillos
exteriores a través de un montante de carga, y la otra mitad de los
mismos está conectada al otro semi-anillo
exterior.
La distribución anterior de los pétalos limita el
control de la zona de salida debido a las interferencias de los
pétalos y a los problemas de estanqueidad. Si dos de los pétalos
principales están situados en el varillaje entre los dos
semi-anillos exteriores, la limitación del control
de la zona de salida es más pequeña.
Esta nueva distribución de los pétalos requiere
un montante de carga distinto. El nuevo montante de carga debe
permitir que dichos pétalos divergentes principales estén
conectados simultáneamente a los dos semi-anillos
exteriores.
El objeto de la presente invención es
proporcionar una disposición de montante de carga que permita
conectar simultáneamente un pétalo divergente principal a ambos
semi-anillos exteriores. La invención reside en un
conjunto según la reivindicación 1. Una realización preferida de la
invención se define en las reivindicaciones dependientes 2 y 3.
Si los dos semi-anillos
exteriores se mueven como un único anillo exterior, el montante de
carga tiene que funcionar igual que un montante de carga que
conecta un pétalo divergente principal a un único anillo
exterior.
Si entre los dos semi-anillos
exteriores se produce un movimiento giratorio relativo, el plano
simétrico teórico del montante de carga tiene que ser el mismo que
el plano bisectriz formado por los dos semi-anillos
exteriores, permaneciendo el varillaje con el pétalo divergente
principal en dicho plano.
Por consiguiente, el dispositivo de la presente
invención comprende dos barras que están conectadas entre sí en un
punto corriente abajo por un varillaje cilíndrico. Cada barra está
conectada en un punto corriente arriba por un varillaje universal o
esférico a un semi-anillo exterior.
La posición de las dos barras una con respecto a
otra está fijada por los varillajes y la posición de los
semi-anillos exteriores, formando una unidad. Esta
unidad tiene un grado único de libertad, igual que los montantes de
carga convencionales. Dicho grado de libertad es la rotación
alrededor del eje formado por la línea teórica a través de los dos
varillajes universales o esféricos.
Con el fin de conectar las dos barras al pétalo
divergente principal, es necesaria una pieza de transición. Esta
pieza está conectada a cada barra por medio de un varillaje
cilíndrico. Este varillaje es sustancialmente paralelo al varillaje
entre las barras mencionadas. Los tres varillajes cilíndricos tienen
que ser sustancialmente coplanares. De esta manera, cuando exista
un movimiento relativo entre los dos semi-anillos
exteriores, existe un movimiento relativo entre las dos barras y,
entonces, la distancia entre los dos varillajes cilíndricos de la
pieza de transición cambia ligeramente. Debido a la alineación de
los tres varillajes cilíndricos, la variación mencionada es una
función de (1-cos) del ángulo de rotación, siendo
este ángulo muy pequeño. Los espacios del varillaje cilíndrico
permiten esta ligera variación de la distancia.
El montante de carga que es el objeto de la
invención comprende las dos barras y la pieza de transición. El
varillaje entre el montante de carga y el pétalo divergente
principal puede ser el mismo que para un montante de carga
convencional.
La figura 1 es una vista en perspectiva de una
tobera de escape relacionada con la invención.
La figura 2 es una vista en perspectiva de un
detalle de la tobera cuando aparece un montante de carga según una
realización preferida de la invención.
La figura 3 es una vista en perspectiva en
despiece que muestra el montante de carga según una realización
preferida de la invención.
La figura 4 es una vista que muestra los
problemas de estanqueidad en una tobera según la patente EP
0557229B1.
La figura 5 es una vista que muestra que no
existen problemas de estanqueidad en una tobera según la patente EP
0557229B1 que utiliza el montante de carga de la realización
preferida de la invención.
La figura 6 es una vista que muestra una tobera
según la patente EP 0557229B1 que utiliza el montante de carga de
la realización preferida de la invención orientando el flujo.
La figura 1 representa, en una vista en
perspectiva esquemática y parcialmente en corte transversal, una
tobera de escape que tiene un montante 1 de carga según una
realización preferida de la invención, con la flecha 33 mostrando
la dirección del flujo. Al igual que con las toberas de escape
tradicionales, la tobera representada en la figura 1 incluye un
armazón 2, una sección 3 convergente y una sección 4 divergente. La
sección 3 convergente consta de una pluralidad de pétalos 5
convergentes principales y pétalos 34 convergentes secundarios. De
la misma manera, la sección 4 divergente consta de una pluralidad
de pétalos 6 principales divergentes y pétalos 31 secundarios
divergentes.
La variación en la zona de garganta, definida por
el contorno del extremo corriente abajo de los pétalos
convergentes, en la zona de salida, definida por el contorno del
extremo corriente abajo de los pétalos divergentes, y en la
orientación del empuje está controlada por un sistema que consta de
tres anillos 7, 8, 9, concéntricos entre sí y con el eje de la
turbina. El anillo 9 exterior está dividido en dos
semi-anillos exteriores. Sólo uno de los
semi-anillos exteriores está representado en la
figura 1. La posición de los anillos 7, 8, 9 está controlada por
una pluralidad de actuadotes 10 lineales que están conectados por
sus extremos corriente arriba al armazón 2. Si no se requiere la
orientación del empuje, el anillo 8 intermedio puede retirarse.
Los anillos 7, 8, 9 también están conectados
entre sí por dispositivos que permiten el desplazamiento axial del
conjunto de tres anillos, en igual magnitud, con respecto al
armazón 2 de la turbina, así como un movimiento giratorio relativo
del anillo 8 intermedio y el semi-anillo 9 exterior
entre ellos y con respecto al anillo 7 interno, de tal manera que
permite que los semi-anillos 9 exteriores se
inclinen en cualquier dirección, y un movimiento giratorio relativo
de los semi-anillos 9 exteriores entre ellos.
La figura 2 representa una vista en perspectiva
de un detalle de la tobera cuando está presente el montante 1 de
carga según una realización preferida de la invención. El montante
de carga comprende dos barras 11, 12. Cada barra está conectada en
su extremo corriente arriba por un varillaje 13, 14 universal o
esférico, a un semi-anillo exterior y éstas están
conectadas entre sí, en sus respectivos extremos corriente abajo,
por un varillaje 15 cilíndrico, siendo perpendicular este varillaje
15 cilíndrico a un plano 32 teórico que contiene ambas barras 11,
12. El plano mencionado está formado por el centro de los
varillajes 13, 14 esféricos y el varillaje 15 cilíndrico. De este
modo, la posición relativa de las dos barras 11, 12 está fijada por
los varillajes 13, 14, 15 y la posición de los
semi-anillos 9 exteriores, formando una unidad. Esta
unidad tiene un único grado de libertad, igual que un montante 19
de carga convencional. Dicho grado de libertad es la rotación
alrededor del eje formado por la línea teórica a través de los dos
varillajes 13 ó 14 universales o esféricos.
La pieza 16 de transición está conectada por un
varillaje 17, 18 cilíndrico a cada barra 11, 13. Estos varillajes
17, 18 son sustancialmente paralelos al varillaje 15. Los tres
varillajes 15, 17, 18 cilíndricos tienen que ser sustancialmente
coplanares. El varillaje entre la pieza 16 de transición y el
pétalo divergente principal puede ser el mismo que para un montante
19 de carga convencional.
Los pétalos 5 convergentes principales están
conectados en un punto corriente arriba al anillo 7 interno, por
varillajes 20 cilíndricos, tangenciales a una circunferencia
teórica que es concéntrica al eje longitudinal del motor y está
situada en un plano teórico a dicho eje longitudinal.
Los pétalos 6 divergentes principales están
subdivididos transversalmente en al menos dos segmentos. El
segmento 21 corriente arriba está conectado al pétalo convergente
principal por un varillaje 23 cilíndrico, tangencial a una
circunferencia teórica que es concéntrica al eje longitudinal del
motor y está situada en un plano teórico perpendicular a dicho eje
longitudinal. El segmento 22 corriente abajo está conectado al
segmento 21 corriente arriba por un varillaje 24 cilíndrico
perpendicular a la base del pétalo divergente principal.
El pétalo 6 divergente principal está conectado
al montante 1 ó 19 de carga por dos barras 25, 26 intermedias.
Estas barras 25, 26 intermedias están conectadas al pétalo 6
divergente principal por varillajes 27, 28 esféricos. La barra
intermedia situada corriente abajo 26 está conectada al montante 1 ó
19 de carga por un varillaje 29 esférico y la barra intermedia
corriente arriba 25 está conectada al montante 1 ó 19 de carga por
un varillaje 30 cilíndrico.
La figura 3 es una vista en perspectiva en
despiece que muestra el montante de carga según una realización
preferida de la invención. El montante de carga comprende dos
barras 11, 12 y una pieza 16 de transición.
La barra 11 tiene en un extremo una orejeta 35,
que está diseñada para recibir un varillaje 13 esférico. Este
varillaje une dicha barra 11 con un semi-anillo 9a
exterior. El otro extremo tiene dos orejetas 36, 37. Una de las
orejetas está conectada a la orejeta 38 de la otra barra 12 por un
varillaje 15 cilíndrico. De la misma manera, la otra barra tiene en
un extremo una orejeta 40, que está diseñada para recibir un
varillaje 14 esférico. Ese varillaje une dicha barra 12 con el otro
semi-anillo 9b exterior.
La otra orejeta 36 de la barra 11 está conectada
a la orejeta 41 de la pieza 16 de transición por un varillaje 17
cilíndrico. De la misma manera, la otra orejeta 39 de la barra 12
está conectada a la orejeta 42 de la pieza 16 de transición por un
varillaje 18 cilíndrico.
El diseño de las barras 11, 12 podría realizarse
de tal manera que ambas barras serían iguales. Con ello es posible
reducir el coste de diseño, fabricación y mantenimiento.
La figura 4 muestra una rotación relativa entre
los dos semi-anillos 9a, 9b exteriores según la
patente EP 0557229B1. El pétalo 6a divergente principal gira en el
sentido de las agujas del reloj y el pétalo 6b divergente principal
gira en el sentido contrario a las agujas del reloj. Estas
rotaciones provocan un gran hueco entre los pétalos 6a, 6b
divergentes principales que tiene que cubrir el pétalo 31
divergente secundario. Con un pequeño ángulo de rotación, el hueco
es demasiado grande y existe un problema de estanqueidad.
La figura 5 muestra la misma rotación entre los
dos semi-anillos 9a, 9b exteriores como en la
figura 4, según la patente EP 0557229B1, pero que utiliza el
montante 1 de carga según la realización preferida de la invención.
De la misma manera que antes, el pétalo 6a divergente principal
gira en el sentido de las agujas del reloj y el pétalo 6b
divergente principal gira en el sentido contrario a las agujas del
reloj, pero ahora existe un pétalo 6c principal divergente
adicional que permanece en la misma posición. De este modo, el hueco
entre los pétalos 6a, 6b divergentes principales se distribuye entre
dos pétalos 31a, 31b divergentes secundarios, sin problemas de
estanqueidad. Una rotación más grande relativa entre los dos
semi-anillos 9a, 9b exteriores es necesaria para
producir problemas de estanqueidad. El intervalo de variación de la
zona de salida de la tobera es mayor debido a una rotación más
grande relativa permisible entre los dos
semi-anillos 9a, 9b exteriores.
Cuando exista un movimiento relativo entre los
dos semi-anillos 9a, 9b exteriores, existe un
movimiento relativo entre las dos barras 11, 12 y, a continuación,
la distancia entre los dos varillajes 17, 18 cilíndricos de la
pieza 16 de transición cambia ligeramente. Sin embargo, los espacios
del varillaje cilíndrico permiten esta ligera variación de la
distancia.
La figura 6 muestra la rotación de los dos
semi-anillos 9a, 9b exteriores conjuntamente con
respecto al anillo 7 interno. En un caso de este tipo, no existe un
movimiento relativo entre los dos semi-anillos 9a,
9b exteriores y por tanto, entre las dos barras 11, 12 de montante
de carga. A continuación, el montante 1 de carga funciona como un
montante 19 de carga convencional.
Claims (3)
1. Conjunto de montaje para un pétalo divergente
principal de una tobera de geometría variable de un turbomotor,
comprendiendo el conjunto un montante (1) de carga, un anillo (9)
exterior compuesto de dos semi-anillos (9a, 9b)
exteriores unidos por varillaje y un pétalo (6) divergente
principal, caracterizado porque el montante (1) de carga
está conectado a ambos semi-anillos (9a, 9b) y al
pétalo (6) principal divergente.
2. Conjunto de montaje según la reivindicación 1,
caracterizado porque el montante de carga comprende dos
barras (11, 12), estando conectada una primera (11) de dichas
barras en un extremo corriente arriba por un varillaje (13)
universal o esférico a un primer semi-anillo (9a)
exterior y estando conectada una segunda (12) de dichas barras en
un extremo corriente arriba por un varillaje (14) universal o
esférico a un segundo semi-anillo (9b) exterior,
estando conectadas las barras (11, 12) adicionalmente entre sí en un
extremo corriente abajo por un varillaje (15) cilíndrico que es
sustancialmente perpendicular a un plano (32) teórico que contiene
ambas de dichas barras (11, 12); comprendiendo adicionalmente el
montante una pieza (16) de transición dispuesta para unirse en un
extremo con el pétalo (6) principal divergente y conectarse en el
otro extremo a ambas de dichas barras (11, 12) por varillajes (17,
18) cilíndricos sustancialmente paralelos y coplanares al varillaje
(15) entre las barras (11, 12).
3. Conjunto de montaje según la reivindicación 2,
caracterizado porque al menos algunos de los tres varillajes
(15, 17, 18) cilíndricos tienen suficiente espacio para permitir
una variación de distancia entre los extremos de las dos barras
(11, 12).
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| EP97500105A EP0886061B1 (en) | 1997-06-16 | 1997-06-16 | Mounting assembly for a divergent master petal of a variable geometry nozzle |
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Family
ID=8230084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES97500105T Expired - Lifetime ES2208850T3 (es) | 1997-06-16 | 1997-06-16 | Conjunto de montaje para un petalo principal divergente de una tobera de geometria variable. |
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| EP (1) | EP0886061B1 (es) |
| CA (1) | CA2238469C (es) |
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