ES2225152T3 - Sistema de control de flujo laminar y panel de succion para usar con el. - Google Patents

Abstract

Un panel de succión (10) para usar en un sistema de control de flujo laminar, que incluye un revestimiento perforado (20) que está soportado en un miembro (60) de base y microcanales (90) formados bien en el lado montado del revestimiento o bien en el miembro de base, teniendo formada el miembro de base una cámara impelente (30) en él, comunicándose cada microcanal con la cámara impelente, caracterizado porque el área en sección transversal de un microcanal aumenta desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal.

Description

Sistema de control de flujo laminar y panel de succión para usar con él.

Este presente invento se refiere a un sistema de control de flujo laminar (LFC) y a un panel de succión para usar con él, aunque tal panel puede tener otros usos.

La aplicación específica del presente invento es en un sistema de control de flujo laminar (LFC) que puede estar incorporado en un ala de aeronave u otra superficie aerodinámica en la que se desee controlar el flujo de aire sobre la superficie.

Se conocen sistemas LFC que incluyen un panel 1, en forma de revestimiento perforado 2, hecho típicamente de titanio y montado en cámaras llenas de gran escala 3a, 3b, etc. Esto se ilustra en la figura 1. El flujo de aire está en la superficie superior del sistema por encima del panel 1 como se indica por la flecha Z en la figura 1. Para mantener el control de la capa límite, se aplica succión a través del revestimiento perforado 2 a través de una serie de cámaras llenas de gran escala 3a, 3b,... como se ilustra. Las cámaras llenas 3a, 3b... están conectadas juntas por tubos y se aplica succión como se indica por la flecha Y en la figura 1. En general, habrá un gradiente de presión a lo largo de la superficie superior debido al flujo de aire. En la figura 1, por ejemplo, en las posiciones de los agujeros mostrados, las presiones pueden ser P_{1}>P_{2}>P_{3}...>P_{x} (o inverso). Es necesario estar seguro de que no hay flujo a través de los agujeros 4 del revestimiento 2 y la cámaras llenas 3a, 3b para provocar que este gradiente de presión se iguale (un estado conocido como flujo saliente). Para evitar esto, es necesario que la caída de presión \DeltaP_{p} a través del revestimiento perforado 2 sea más grande que P_{x}-P_{1}. \DeltaP_{p} está limitado por el tamaño y el paso máximo de los agujeros 4 que pueda ser taladrado. El paso está limitado por los requisitos para tener succión uniforme eficiente y el tamaño de agujero está limitado por el procedimiento de taladrado. Además, está el requisito de que la velocidad de succión en un agujero particular 4 no exceda un valor crítico que perturbe el flujo.

Estas restricciones de la integridad mecánica y operacional significan que hay un tamaño máximo para la dimensión D de cada cámara impelente 3a, 3b.... Por consiguiente, en general para aplicaciones LFC hay gran número de estas cámaras completas 3a, 3b.... Esto introduce algunos problemas serios.

Por ejemplo, la presión de las cámaras completas reduce la rigidez total del panel de succión. Esto lleva a la necesidad de una tensión por carga más pesada y espesa para mejorar la rigidez pero a expensas de aumentar de forma no deseada el peso del panel.

En las zonas en las que una pared 5 de la cámara impelente 3a, 3b... está sujeta al revestimiento perforado 2 no hay succión. Estas zonas son relativamente grandes para proporcionar la integridad mecánica necesaria a la estructura. Esto desestabilizará el flujo y en el peor caso puede provocar una transición a flujo turbulento. El problema empeorará con cámaras completas más grandes ya que se requerirán descansos de apoyo de revestimiento más grandes. Por tanto, una fracción significativa de la superficie contiene regiones sin succión. En el panel mostrado en la figura 1, el revestimiento perforado 2 es típicamente de 1-2 mm de espesor y la profundidad total o espesor del panel como un todo, es decir la dimensión E, es 2-3 cm. La superposición de los agujeros 4 por la pared 5, típicamente del orden de 3 a 5 mm, provoca la pérdida de succión. D es típicamente de 3 a 5 cm.

Una disposición similar a esta mostrada en la figura 1 se describe en el documento EP-A1-0.536.874, en el que un panel de control de succión que incluye una estructura tiene una superficie exterior formada por una lámina que lleva un gran número de agujeros muy pequeños que se comunican con una pluralidad de hendiduras y canales que a su vez están conectados por medio de tubos a una bomba. Las hendiduras y canales están emparejados para formar un microcanal común que conecta varios de los agujeros dispuestos en la lámina. Cada microcanal es simétrico respecto su punto medio, en ambas direcciones longitudinal y transversal, de tal manera que la zona en sección transversal del microcanal es la misma a la misma distancia del punto medio incluyendo en los extremos.

De acuerdo a un aspecto del presente invento, se proporciona un panel de succión para usar en un sistema de control de flujo laminar, que incluye un revestimiento perforado que está apoyado en un miembro de base y microcanales formados bien en el lado montado del revestimiento o en el miembro de base, teniendo el miembro de base formados en él una cámara impelente, comunicándose cada microcanal con la cámara impelente, caracterizado porque el área en sección transversal de un microcanal aumenta desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal.

Opcionalmente, la anchura de un microcanal puede aumentar desde un extremo del microcanal hacia el otro extremo del microcanal. Convenientemente, la anchura de un microcanal puede estrecharse uniformemente desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal o, alternativamente, puede estrecharse escalonadamente desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal.

Preferiblemente, los microcanales se extienden substancialmente en paralelo y la cámara impelente se extiende sustancialmente en perpendicular a los microcanales.

Opcionalmente, el revestimiento perforado puede ser montado en un miembro de base que tenga una primera capa de base y una segunda capa de base, estando los microcanales formados en la segunda capa de base y estando formada al menos una cámara impelente en la primera capa de base, siendo los microcanales tales que se puede establecer un gradiente de presión controlado a lo largo de ellos para asegurar que no hay flujo hacia fuera desde ellos a través de las perforaciones del revestimiento.

Preferiblemente, el revestimiento perforado está unido al miembro de base.

Opcionalmente, el soporte, la primera capa de base o la segunda capa de base puede incluir una o más capas de material compuesto de fibra de carbono (CFC).

Preferiblemente, el revestimiento perforado es un metal. Alternativamente, el revestimiento perforado está hecho de un material flexible que le permita ser estirado sobre una superficie en la que está montado.

De acuerdo a otro aspecto del invento, se proporciona un sistema de control de flujo laminar que incluye un panel de succión como se ha especificado en los párrafos inmediatamente precedentes y medios para aplicar succión a la cámara impelente para mantener una succión de capa límite a una superficie libre del revestimiento perforado.

De acuerdo a un aspecto adicional del presente invento, se proporciona un método para fabricar un panel como se especifica en los párrafos inmediatamente anteriores que incluye la operación de emplear un rayo láser para formar los micro-canales y las perforaciones en el revestimiento.

De acuerdo incluso con otro aspecto del presente invento se proporciona una superficie de vuelo de aeronave que incorpora un panel de succión como se especifica en los párrafos inmediatamente anteriores o un sistema de control de flujo laminar como se especifica en los párrafos anteriores.

Ahora se describirá cómo se puede realizar el invento sólo a modo de ejemplo y haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La figura 1 es una vista en sección de un sistema de control de flujo laminar;

La figura 2 es una vista en planta de un panel de succión para el uso en un sistema de control de flujo laminar;

La figura 3 es una sección tomada en la línea A-A de la figura 2;

La figura 4 es una sección tomada en la línea B-B de la figura 2;

La figura 5 es una sección sustancialmente igual que la figura 3 pero ilustra presiones en aberturas individuales en el revestimiento perforado;

La figura 6 es una gráfica que ilustra las características de presión de la construcción mostrada en la figura 5;

La figura 7 es una vista en planta de un micro-canal que se estrecha escalonadamente de acuerdo a una primera realización del presente invento;

La figura 8 es una sección tomada en la línea C-C de la figura 7;

La figura 9 es una vista en planta similar a la figura 7 pero que muestra un micro-canal que se estrecha de forma continua de acuerdo a una segunda realización del presente invento; y

La figura 10 es una vista en planta de una configuración adicional de micro-canal en la que cada micro-canal incluye más de una fila de micro aberturas.

Figura 1

En la figura 1 se ilustra una disposición conocida de la técnica anterior y que ya se ha descrito.

Figuras 2-6

Como antecedente del invento, en las figuras 2 a 6 se muestra un panel de succión 10 para un sistema LFC. El panel de succión 10 incluye un revestimiento perforado 20 que tiene agujeros 40, cuyo revestimiento está apoyado en un miembro 60 de base que incluye una primera capa 60a y una segunda capa 60b de base, cada una de un material compuesto de fibra de carbono (CFC).

La primera capa o superior 60ª CFC de base soporta el revestimiento 20, como se indica en la figura 4, y tiene formados en ella unos agujeros de succión 70, la segunda capa o inferior CFC 60b de base que soporta la capa superior 60a CFC de base y que tiene formada en ella una cámara impelente 30 a la que puede ser aplicada succión Y a través de un agujero principal de succión 80.

Las capas CFC 60a y 60b de base están pegadas una a otra y el revestimiento perforado 20 también está pegado a la capa superior CFC 60a de base.

Típicamente, el revestimiento perforado 20 se hará de titanio y se perforará con micro agujeros de aproximadamente 50 micras de diámetro con una relación de paso a diámetro de 10:1. Para aclararlo, sólo hay ocho filas de nueve agujeros pero en un sistema actual el número de agujeros puede ser mucho mayor. Cada uno de los micro agujeros 40 en una fila se comunica con el mismo microcanal 90, como se muestra en la figura 3, comunicándose cada microcanal en un extremo con un agujero de succión 70 que está formado en la primera capa o superior de CFC 60a de base. Cada microcanal 90 tiene una zona de sección transversal constante y así este panel de succión 10 está fuera del alcance del presente invento.

La anchura de cada microcanal 90 está preferiblemente en el intervalo de una a cuatro veces el diámetro de los agujeros 40.

Los requisitos de gradiente de presión para el flujo dentro de los microcanales 90 se obtendrá con la anchura de los microcanales, junto con su profundidad.

En el extremo de los microcanales 90, hay taladrado un agujero 70 relativamente grande a través de la capa superior de CFC 60a de base para permitir que se aplique succión a los microcanales. La cámara impelente 30 en la capa inferior de CFC 60b de base está en comunicación con cada uno de los agujeros de succión 70.

Antes se ha mencionado que las capas 60a y 60b de base están pegadas juntas y que el revestimiento perforado 20 está pegado a la capa superior 60a de base.

Para situar tal pegado se pueden micro mecanizar unos microcanales secundarios entre los microcanales de succión 90, pero estos microcanales secundarios no se ilustran en los dibujos.

Como se ha indicado antes, el diseño detallado de los microcanales 90 se determina por los requisitos de gradiente de temperatura de una aplicación particular. Para ilustrar esto, se hace referencia a las figuras 5 y 6, siendo la figura similar a la figura 3 en términos de estructura y siendo la figura 6 una gráfica que representa la presión P frente a la posición X para la superficie superior del revestimiento perforado 20, mostrando la línea L_{1} el perfil de presión en la superficie externa del revestimiento, y mostrando la línea L_{2} el perfil de presión ideal en el microcanal mecanizado 90.

En general habrá algún gradiente de presión en la dirección del flujo Z y, en este caso, la presión será más grande en el lado izquierdo que en el lado derecho pero se puede aplicar lo inverso. En este ejemplo P_{1}>P_{2}>P_{3}...>P_{x}.

Si se usa una cámara impelente simple 3 de escala grande, entonces es necesario que la caída de presión a través del revestimiento perforado 20 \DeltaP_{p} sea más grande que P_{1}-P_{x}. Claramente, a mayor número de agujeros 70 incluidos en la cámara impelente, mayor \DeltaP_{p}.

La figura 6 ilustra el perfil ideal de presión y en este caso el perfil de presión es el mismo que en la superficie superior del revestimiento perforado 20 pero reducido por la caída de presión inducida por el flujo a través del agujero individual \DeltaP_{h}.

Esta disposición garantizará siempre que no haya flujo hacia fuera porque la presión en todos los agujeros es menor en el microcanal que en la superficie del revestimiento perforado 20. La curva de presión puede, de hecho, ser menor que la mostrada en la figura 6 para garantizar que esta es la posición pero hay un límite a como de lejos puede tener lugar una disminución. Este límite es tal que \DeltaP_{h} no es tan grande que la velocidad de flujo a través de un agujero individual supere la velocidad crítica de succión como se ha descrito antes.

El peor caso en la otra dirección es asegurar que los microcanales parezcan como una gran cámara impelente sin gradiente de presión. En este caso es necesario que \DeltaP_{h} sea igual a P_{1}-P_{x} como antes.

El requisito de que no haya flujo hacia fuera en ningún agujero es que la suma de la pérdida de presión a través del agujero y la presión debida al flujo en el microcanal debe ser más grande que la diferencia de presión en la superficie para los dos agujeros. Esto se puede expresar como:

(\Delta P_{mc[x\rightarrow(x+1)]} + \Delta P_{h} >P_{x}-P_{x}-P_{x+1} ... _{(11)}

en la que \DeltaP_{mc[x\rightarrow(x+1)} es la pérdida de presión en el microcanal entre los agujeros x y x+1, para el caso ideal mostrado en la figura 6 esta \DeltaP_{mc[x\rightarrow(x+1)}= P_{x}- P_{x+1}. Por tanto está desigualdad es siempre verdad y no puede aparecer flujo hacia fuera. Esto significa que \DeltaP_{h} puede ser mucho más pequeña que \DeltaP_{p} ya que es sumada con \DeltaP_{mc[x\rightarrow(x+1)}y P_{x}- P_{x+1}será mucho más pequeña que P_{1}- P_{x}. Esto significa que los micro agujeros pueden ser más grandes y, más particularmente, el revestimiento perforado puede ser mucho más delgado. Esto es especialmente el caso cuando se realiza que el revestimiento está apoyado en cualquier sitio entre las dos filas de agujeros. Esto significa que puede ser posible un revestimiento mucho más ligero y delgado y por tanto una succión más suave.

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Figuras 7 y 8

Para entender cómo puede realizarse en la práctica un perfil de presión, como el mostrado en la figura 6, de acuerdo con el presente invento, ahora se hace referencia a las figuras 7 y 8.

Las figuras 7 y 8 son vistas en planta y en sección respectivamente de un microcanal individual 90 de acuerdo a una primera realización del presente invento tomada en la línea C-C de la figura 7.

La pérdida de presión en el microcanal 90 será directamente proporcional, en un primer orden, a la zona en sección transversal del canal que a su vez depende de las dimensiones W y d como se muestra en la figura 8. La dimensión W puede ser variada para dar la pérdida de presión variable y el gradiente de presión requerido pero esto puede conseguirse también variando d o por supuesto variando W y d.

Los microcanales 90 están alineados con los agujeros 70 de succión de microcanal y la cámara impelente 30 en el extremo de baja presión del gradiente de presión. Por tanto, si se invierte el gradiente de presión comparado con lo descrito, entonces los canales se extenderán hacia la derecha de la cámara impelente. En el punto en el que el gradiente de presión cambia de signo, los microcanales pueden extenderse entonces a izquierda y a derecha desde la cámara impelente.

La figura 9 es una vista similar a la figura 7 pero muestra una variación en la forma en planta del microcanal 90 de acuerdo con una segunda realización del presente invento.

La figura 10 es también una vista similar a la figura 7 pero que muestra una disposición en la que hay más de una fila (cuatro en este caso) de agujeros 40 en cada microcanal 90, habiendo en este ejemplo dos agujeros de succión 80 en cada microcanal 90. Con esta disposición puede haber una zona de unión agrandada entre cada uno de los dos microcanales ilustrados, estando agrandados estos microcanales en la dirección de no flujo. El área en sección transversal de cada microcanal 90 es uniforme y así el panel de succión 10 de la figura 10 está fuera del alcance del presente invento.

Se pueden hacer varias variaciones a las realizaciones específicas descritas antes haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, estas modificaciones incluyen las siguientes:

a)

se pueden usar materiales distintos al titanio y al material compuesto de fibra de carbono para fabricar el panel de succión;

b)

se pueden emplear otras técnicas distintas al micro mecanizado para formar los microcanales;

c)

el revestimiento 20 puede ser estirado sobre la superficie del miembro de CFC 60 de base;

d)

el panel de succión puede ser configurado para tener una curvatura múltiple o singular;

e)

el miembro inferior 60b de base puede tener una construcción no sólida que emplee rigidez integral, haciéndola por tanto más ligera,

f)

las cámaras impelentes pueden ser añadidas por separado;

g)

los microcanales 90 pueden ser mecanizados, de hecho, en el lado inferior del revestimiento perforado 20, permitiendo así una fabricación más fácil;

h)

los microcanales pueden estar formados en el lado inferior del revestimiento 20 por medio de un rayo láser lo que también puede ser usado para formar los agujeros a través del revestimiento 20, consiguiéndose esto manteniendo el rayo láser estacionario durante un periodo corto en la posición de los agujeros deseados y después explorado entre la posición de agujero adyacente para formar el microcanal, asegurando así el alineamiento del microcanal con las filas de agujeros.

Una ventaja del presente invento es que cualquier variación en el perforado de los micro agujeros 40 puede ser compensada fácilmente. Esto contrasta con el método de la técnica anterior para fabricar un sistema LFC en el que las cámaras impelentes están diseñadas y después se determina una especificación para las características de pérdida de presión del revestimiento perforado 2.

Sin embargo, con este método de la técnica anterior el procedimiento de perforado y formación para el panel no es controlado suficientemente o bien conocido para permitir un control muy preciso de las características de pérdida de presión. Además, esas características varían a lo largo del panel y actualmente no hay manera de compensación para esto. Con el presente invento, el panel perforado puede ser fabricado y las características de pérdida de presión medidas. Los microcanales en el miembro superior de CFC 60a de base puede ser hechos a medida de las características de pérdida de presión del revestimiento perforado 20.

Claims (14)

1. Un panel de succión (10) para usar en un sistema de control de flujo laminar, que incluye un revestimiento perforado (20) que está soportado en un miembro (60) de base y microcanales (90) formados bien en el lado montado del revestimiento o bien en el miembro de base, teniendo formada el miembro de base una cámara impelente (30) en él, comunicándose cada microcanal con la cámara impelente, caracterizado porque el área en sección transversal de un microcanal aumenta desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal.

2. Un panel de succión según la reivindicación 1, en el que la anchura de un microcanal aumenta desde un extremo del microcanal hasta el otro extremo del microcanal.

3. Un panel de succión según la reivindicación 2, en el que la anchura de un microcanal se estrecha uniformemente desde un extremo del microcanal hacia el otro extremo del microcanal.

4. Un panel de succión según la reivindicación 2, en el que la anchura de un microcanal se estrecha escalonadamente desde un extremo del microcanal hacia el otro extremo del microcanal.

5. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los microcanales se extienden sustancialmente en paralelo y la cámara impelente se extiende substancialmente en perpendicular a los microcanales.

6. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el revestimiento perforado está montado en un miembro de base que tiene una primera capa (60b) de base y una segunda capa (60a) de base, estando formados los microcanales en la segunda capa de base y estando formada al menos una cámara impelente en la primera capa de base, siendo los microcanales tales que se puede establecer un gradiente de presión controlado a lo largo de ellos para asegurar que no hay flujo hacia fuera desde ella a través de las perforaciones (40) del revestimiento.

7. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el revestimiento perforado está unido al miembro de base.

8. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera capa de base o la segunda capa de base de apoyo incluye una o más capas de material compuesto de fibra de carbono (CFC).

9. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el revestimiento perforado es un metal.

10. Un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el revestimiento perforado está hecho de un material flexible que permite ser estirado sobre una superficie en la que es montado.

11. Un sistema de control de flujo laminar, que incluye un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y medios para aplicar succión (80) a la cámara impelente para mantener una succión de capa límite a una superficie libre del revestimiento perforado.

12. Un método para fabricar un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que incluye la operación de emplear un rayo láser para formar los microcanales y las perforaciones en el revestimiento.

13. Una superficie de vuelo de aeronave, que incorpora un panel de succión según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

14. Una superficie de vuelo de aeronave, que incorpora un sistema de control de flujo laminar según la reivindicación 11.