ES2224580T3 - Mecanismo de control del area de salida en toberas convergente-divergentes. - Google Patents

Mecanismo de control del area de salida en toberas convergente-divergentes.

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ES2224580T3 ES99500079T ES99500079T ES2224580T3 ES 2224580 T3 ES2224580 T3 ES 2224580T3 ES 99500079 T ES99500079 T ES 99500079T ES 99500079 T ES99500079 T ES 99500079T ES 2224580 T3 ES2224580 T3 ES 2224580T3
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Abstract

Mecanismo para controlar el área de salida de toberas convergente-divergentes independientemente del área de la garganta de la tobera, comprendiendo el mecanismo un anillo (1) de sincronización, concéntrico con el eje de la tobera, caracterizado porque el anillo de sincronización es giratorio en dirección circunferencial alrededor de la estructura de la tobera, estando dicho anillo (1) de sincronización unido a un grupo de brazos (3) de palanca oblicuos que pivotan alrededor de un eje (4) sobre la estructura (2) de la tobera, determinando la posición de un grupo de montantes (8) de compresión que están unidos, en un lado, a dichos brazos (3) de palanca oblicuos mediante una junta (7) de giro y, en sus extremos opuestos, a un grupo de pétalos (10) divergentes, estando el extremo corriente arriba de los pétalos (10) divergentes unido al extremo corriente abajo de los pétalos convergentes correspondientes, de manera que para cada posición circunferencial del anillo (1) de sincronización, se obtiene un área de escape determinada de la tobera.

Description

Mecanismo de control del área de salida en toberas convergente-divergentes.
La invención consiste aquí en un mecanismo de control del área de salida de toberas convergente-divergentes. El mecanismo permite el control del área de salida en toberas convergente-divergentes axisimétricas, independientemente del área de la garganta, y está especialmente diseñado para motores con turbina de gas usados como sistemas de propulsión de aeronaves.
Estado de la técnica anterior a la invención
Un sistema de propulsión para motores con turbina de gas produce un empuje axial al cambiar la velocidad de los gases de escape a gran velocidad a través de la tobera de salida del motor. El aire entra en el motor a través del compresor, donde es comprimido. A continuación se calienta mediante la combustión de combustible. El gas caliente de escape se expande en la turbina, obteniendo trabajo que se utiliza para mover el compresor mencionado. La expansión de gas continúa en la tobera, en la que la energía remanente en el gas se convierte en un chorro a gran velocidad responsable del empuje del motor.
Las toberas empleadas actualmente en aviones pueden dividirse en los siguientes grupos atendiendo a su complejidad. En aviación civil, se suele disponer de toberas convergentes con una relación fija entre las áreas de entrada y de garganta. En motores militares con capacidad de postcombustión, es necesario tener un sistema que pueda permitir el cambio en el área de la garganta. Algunos motores tienen una parte divergente tras la convergente, que puede continuar la expansión del gas por encima de velocidades sónicas, logrando un mayor empuje y una reducción del consumo específico de combustible. La mayoría de las toberas convergente-divergentes tienen un grado único de libertad, de manera que para cada área de la garganta, el área de salida se determina basándose en la longitud de los pétalos y montantes de compresión. Las dimensiones mencionadas y la relación entre las áreas de la garganta y las de salida se determinan como la mejor curva de ajuste de proporciones ideales, que son una función de la altitud de crucero y el número de Mach para un vuelo estacionario. Seleccionar una ley de área única significa que, en algunas condiciones de vuelo, el empuje o el consumo especifico de combustible, puede estar penalizado hasta con un 5% del empuje total del motor.
La presente invención describe un mecanismo capaz de cambiar el área de salida independientemente del área de la garganta, permitiendo la optimización del empuje en todas las condiciones de vuelo, sin un incremento significativo de peso o un modo inestable de fallo.
Tanto las partes convergentes como divergentes están hechas de pétalos independientes que, una vez instalados, trabajan simultáneamente. Los pétalos convergentes están montados individualmente mediante una junta cilíndrica en el perímetro de salida del motor. Los pétalos divergentes se unen mediante una junta cilíndrica al extremo posterior de los pétalos convergentes. Cada uno de los pétalos divergentes está unido con un montante de compresión. Generalmente este montante de compresión está unido en su otro extremo a la estructura de la tobera. Todas las cuatro juntas son paralelas entre sí y perpendiculares al eje de la tobera, de manera que cada conjunto de pétalos y montantes compone un mecanismo de cuadrilátero articulado. La actuación del mecanismo consiste generalmente en la rotación del pétalo convergente alrededor de su junta con la estructura del motor. Este mecanismo de cuadrilátero articulado permite la variación de las áreas de la garganta y de salida simultáneamente, con un grado único de libertad, sobre una relación fija determinada por la longitud de los elementos que lo componen.
El documento WO-A-92/03649 describe un mecanismo substancialmente según el preámbulo de la reivindicación 1: el mecanismo incluye, entre otros, un anillo de sincronización conectado a los montantes, trasladándose o desviándose el anillo axialmente, por lo que el área de salida de la tobera puede controlarse independientemente del área de la garganta de la tobera.
El documento US-A-2811831 describe otro ejemplo de una tobera de área variable.
La presente invención, según la reivindicación 1, proporciona una solución alternativa a la descrita en el documento WO-A-92/03649.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un mecanismo como el definido en la reivindicación 1. Las realizaciones preferidas de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.
La presente invención introduce un mecanismo, entre el montante y la estructura del motor, que puede variar la distancia axial entre ellos ganando un grado adicional de libertad en la disposición de pétalos del mecanismo de cuadrilátero articulado, lo que permite el control del área de salida independientemente del área de la garganta. Por ello, el mecanismo permite la expansión óptima de los gases de salida y el empuje óptimo, en otras palabras, un número creciente de condiciones de vuelo optimizadas.
Según la invención, el mecanismo de control del área de salida para toberas convergente-divergentes axisimétricas consiste en un anillo de sincronización, concéntrico con el eje de la tobera, que está unido a un grupo de brazos de palanca que pivotan alrededor de un eje preferiblemente radial alrededor de la estructura de la tobera, determinando la posición axial de un grupo de montantes que están unidos en un extremo al extremo de los brazos de palanca mencionados y, en el extremo opuesto, a un grupo de pétalos divergentes, de manera que para cada posición circunferencial del anillo de sincronización esté determinada el área de salida de la tobera axisimétrica.
Breve descripción de los dibujos
Estas ventajas principales y otras características y beneficios se entenderán más fácilmente en la siguiente descripción junto con los dibujos adjuntos, en los que la disposición del mecanismo de control del área de salida, según los principios de la invención, se ha representado como un ejemplo no restrictivo.
En los dibujos:
La figura 1 es un corte transversal de una tobera convergente-divergente cerrada con el mecanismo de la invención.
La figura 2 es una vista isométrica con la configuración preferida del mecanismo de la invención.
La figura 3 es una vista según la flecha AA de la figura 1 del mecanismo de la invención.
La figura 4 es una vista según la flecha BB del mecanismo de la invención, en la que puede observarse el movimiento relativo entre el extremo (5) esférico y el anillo (1) de sincronización.
La figura 5 es una vista isométrica del mecanismo de la invención, con el sistema de actuación preferido de anillo de sincronización, que consiste en dos actuadores en extremos opuestos de un diámetro.
La figura 6 es una vista posterior del mecanismo de la invención, en el que el anillo de sincronización está desplazado radialmente, adoptando una posición no concéntrica con la estructura de la tobera.
Descripción de la invención según los dibujos
El propósito de la invención es un mecanismo que puede controlar el área de salida de una tobera convergente-divergente axisimétrica independientemente del área de la garganta, en sistemas de propulsión con turbina de gas.
La configuración preferida consiste en un anillo (1) de sincronización que puede rotar y desplazarse axialmente alrededor de la estructura (2) de la tobera. Brazos (3) de palanca oblicuos, sujetos a la estructura (2) de la tobera por una junta (4) cilíndrica, están conectados en un extremo al anillo (1) de sincronización, preferiblemente mediante un extremo (5) esférico sobre una superficie (6) cilíndrica y, en el otro extremo, preferiblemente mediante una junta (7) esférica con los montantes (8) de compresión, que a su vez están unidos, preferiblemente mediante una junta (9) esférica a los pétalos (10) divergentes. Un sistema (11) de actuación es responsable de la rotación del anillo (1) de sincronización.
El sistema (11) de actuación, que está unido en un extremo al anillo (1) de sincronización y, en el otro lado, a la estructura (2) de la tobera, exige una rotación del anillo (1) de sincronización alrededor de la estructura (2) de la tobera. Esta rotación se convierte, con ayuda de los brazos (3) de palanca oblicuos, en un desplazamiento principalmente axial sobre el extremo de los montantes (8) de compresión, provocando la rotación de los pétalos (10) divergentes alrededor de su junta (12) cilíndrica con los pétalos (13) convergentes, y por tanto modificando el área de salida de la tobera.
Para permitir la rotación simultánea del anillo (1) de sincronización y los brazos (3) de palanca oblicuos mientras se mantienen en contacto, es necesario resolver el desplazamiento axial entre ellos, causado por la ausencia de colinealidad de su eje de rotación. Este desplazamiento explica por qué, como se muestra en la figura 3, en la configuración preferida, el anillo (1) de sincronización puede rotar y moverse axialmente alrededor del eje de la tobera. El soporte del anillo (1) de sincronización en la estructura (2) de la tobera consiste preferiblemente en una superficie (14) cilíndrica, que garantiza la posición concéntrica entre el anillo (1) de sincronización y la estructura (2) de la tobera en su rotación y desplazamiento axial. De forma similar, el extremo (5) esférico de los brazos de palanca oblicuos puede deslizarse sobre la superficie (6) cilíndrica del anillo (1) de sincronización.
La rotación de los brazos (3) de palanca oblicuos se transmite al extremo de los montantes (8) de compresión, que a su vez exige la rotación de los pétalos (9) divergentes y por tanto la apertura o cierre de la tobera.
Las siguientes son juntas cinemáticas alternativas a la configuración preferida:
1.- Extremo esférico de brazos (3) de palanca oblicuos sobre una ranura de anillo (1) de sincronización, que permite un desplazamiento axial entre elementos. El anillo (1) de sincronización no exigiría desplazamiento axial al rotar.
2.- La junta de los brazos (3) de palanca oblicuos a la estructura de la tobera está hecha de una junta cardán. La junta del brazo (3) de palanca oblicuo al anillo (1) de sincronización está hecha mediante una junta esférica sin agujero cilíndrico sobre el anillo y el deslizamiento consiguiente entre elementos.
3.- El brazo (3) de palanca oblicuo está unido con la estructura de la tobera mediante una junta cardán que puede desplazarse paralelamente al eje de la tobera. La junta del brazo de palanca (3) oblicuo con la estructura de la tobera está hecha mediante una junta esférica.
La configuración preferida para el sistema (11) de actuación del anillo (1) de sincronización, consiste preferiblemente en dos elementos colocados en extremos opuestos de un diámetro que compensan el momento de torsión producido en condiciones de trabajo, figura 5. El mecanismo descrito también puede evitar el mecanismo (11) de actuación, permitiendo el control del área de salida de la tobera entre límites (15) de carrera mediante la presión del gas en los pétalos (10) divergentes.
Si al anillo (1) de sincronización, descrito en la figura 6a, se le permite moverse radialmente como se muestra en la figura 6b, junto con su rotación y el desplazamiento axial consiguiente alrededor de la estructura (2) de la tobera, una rotación no simétrica de las palancas (3) oblicuas introduce un componente lateral en los gases de escape. La figura 6b muestra cómo un desplazamiento radial verticalmente hacia arriba del anillo (1) de sincronización exige una rotación del brazo de palanca oblicuo a 90º (3'), que provoca la apertura del pétalo (10') divergente correspondiente. El efecto producido sobre el brazo de palanca oblicuo a 270º (3'') es el opuesto, de manera que el pétalo (10'') divergente correspondiente se cierra. A 0º y 180º, los brazos (3''') de palanca oblicuos no rotan, y por tanto sus pétalos (10''') divergentes correspondientes no se mueven. El efecto final producido sobre el número total de pétalos es una vectorización del gas de escape al introducir un componente en la dirección de 90º.
Ventajas técnicas
El sistema propuesto proporciona un sistema de control del área de salida de la tobera, que es independiente del área de la garganta, sencillo, fiable y con un pequeño incremento de peso. El sistema siempre proporciona una expansión óptima de gases y por tanto un empuje máximo.
Si se permite el desplazamiento radial del anillo (1) de sincronización, el mecanismo resultante logra una vectorización del gas con la consiguiente ganancia en maniobrabilidad del avión y de la envolvente de vuelo.

Claims (4)

1. Mecanismo para controlar el área de salida de toberas convergente-divergentes independientemente del área de la garganta de la tobera, comprendiendo el mecanismo un anillo (1) de sincronización, concéntrico con el eje de la tobera, caracterizado porque el anillo de sincronización es giratorio en dirección circunferencial alrededor de la estructura de la tobera, estando dicho anillo (1) de sincronización unido a un grupo de brazos (3) de palanca oblicuos que pivotan alrededor de un eje (4) sobre la estructura (2) de la tobera, determinando la posición de un grupo de montantes (8) de compresión que están unidos, en un lado, a dichos brazos (3) de palanca oblicuos mediante una junta (7) de giro y, en sus extremos opuestos, a un grupo de pétalos (10) divergentes, estando el extremo corriente arriba de los pétalos (10) divergentes unido al extremo corriente abajo de los pétalos convergentes correspondientes, de manera que para cada posición circunferencial del anillo (1) de sincronización, se obtiene un área de escape determinada de la tobera.
2. Mecanismo según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema (11) de actuación de actuador doble del anillo (1) de sincronización que puede gobernar el área de escape.
3. Mecanismo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está dispuesto para permitir el desplazamiento radial del anillo (1) de sincronización, para obtener asimetría de la rotación de los brazos (3) de palanca oblicuos para inducir un componente lateral en los gases de escape.
4. Mecanismo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el eje (4) alrededor del cual giran los brazos (3) de palanca oblicuos es un eje radial.
ES99500079T 1999-05-13 1999-05-13 Mecanismo de control del area de salida en toberas convergente-divergentes. Expired - Lifetime ES2224580T3 (es)

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