ES2260734T3 - Tobera convergente-divergente de turborreactor. - Google Patents
Tobera convergente-divergente de turborreactor.Info
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Abstract
Tobera convergente-divergente de turborreactor que comprende segmentos divergentes controlados (4a), segmentos divergentes seguidores (4b) intercalados entre los segmentos controlados, y medios (32) para alimentar de aire de refrigeración los segmentos divergentes seguidores (4b), teniendo dichos segmentos divergentes seguidores (4b) una estructura en cajón con una pared radialmente interna (6), y una pared radialmente externa (8), caracterizada porque dichos segmentos divergentes seguidores presentan unas aberturas laterales destinadas a proporcionar aire de refrigeración en dirección a la cara interna de dichos segmentos divergentes controlados (4a), para enfriar éstos últimos.
Description
Tobera convergente-divergente de
turborreactor.
La presente invención se refiere a una tobera
convergente divergente de turborreactor. Estas toberas convergentes
divergentes, denominadas en lo sucesivo toberas
CD-DV, equipan generalmente turborreactores de
aviones supersónicos militares.
La figura 1 representa esquemáticamente una
tobera CV-DV de tipo conocido. Esta tobera de eje X
comprende una primera corona de segmentos convergentes 2 y una
segunda corona de segmentos divergentes 4. Entre los segmentos
convergentes 2 y los divergentes 4, se distingue los segmentos
controlados 2a, 4a, de los segmentos seguidores 2b, 4b.
Las segmentos controlados 2a, 4a están unidos a
un mecanismo de control 5 que permite desplazarlas. Este mecanismo
de control está constituido generalmente por palancas, bielas,
horquillas, o un anillo, discos y levas. El desplazamiento de las
segmentos controlados 2a, 4a permite modificar la abertura de la
tobera 1 en función de las condiciones de vuelo, y por esta razón,
se habla de tobera de sección variable.
Los segmentos seguidores 2b, 4b están
intercalados entre los segmentos controlados y se apoyan en una y en
otra parte, al nivel de sus bordes laterales, en la cara radialmente
interna de los segmentos controlados 2a, 4a. Los segmentos
seguidores no están unidas por tanto a un mecanismo de control, se
contentan con seguir a los segmentos controlados 2a, 4a.
En la presente memoria, se define la dirección
radial como la dirección perpendicular al eje X de la tobera, y la
cara interna de un elemento como la cara del elemento frente al eje
X.
Durante el funcionamiento del turborreactor, la
tobera 1 es atravesada por un flujo de gases calientes procedentes
de la cámara de postcombustión del turborreactor. El mecanismo de
control 5 de los segmentos controlados 2a, 4a, la hacer variar la
abertura de la tobera, permite hacer crecer o decrecer la velocidad
de escape del flujo gaseoso a la salida de la tobera.
Las temperaturas del flujo de gases calientes
que atraviesa la tobera CV-DV son generalmente muy
elevadas, aunque se han desarrollado diversos sistemas de
refrigeración para limitar el calentamiento de las caras radialmente
internas de las segmentos de la tobera.
La patente EEUU 5.775.589 describe una tobera
CV-DV para turborreactor militar que comprende
segmentos divergentes seguidores alimentados de aire de
refrigeración.
Este aire circula por el interior de los
segmentos antes de escaparse por unas perforaciones practicadas en
la pared interna de éstos últimos, se habla de multiperforaciones.
Así se forma una película de aire protector en la superficie de esta
pared que limita el intercambio de calor entre esta última y dichos
gases calientes.
En un modo de realización particular, los
segmentos divergentes controlados no están alimentados de aire de
refrigeración, y no presentan por tanto multiperforaciones,
habiéndose previsto para enfriar estos segmentos sólo unos medios
para inyectar aire al nivel del cuello (la sección más pequeña) de
la tobera. Sin embargo, estos medios no son suficientes para enfriar
correctamente los segmentos divergentes controlados, en particular
en las regiones de estos segmentos alejadas de dicho cuello.
La invención se propone mejorar la refrigeración
de los segmentos controlados de una tobera CV-DV, en
particular cuando los segmentos divergentes controlados no están a
su vez alimentados de aire de refrigeración.
Para alcanzar este fin, la invención tiene por
objeto una tobera CV-DV de turborreactor que
comprende segmentos divergentes controlados, segmentos divergentes
seguidores intercalados entre los segmentos controlados, y medios
para alimentar de aire de refrigeración los segmentos divergentes
seguidores, teniendo éstos últimos una estructura en cajón con una
pared radialmente interna, y una pared radialmente externa. Según la
invención, dichos segmentos divergentes seguidores presentan además,
unas aberturas laterales destinadas a proporcionar aire de
refrigeración en dirección a la cara interna de dichos segmentos
divergentes controlados, para enfriar éstos últimos.
La invención utiliza así una parte del aire de
refrigeración que alimenta los segmentos divergentes seguidores para
enfriar la cara interna de los segmentos divergentes controlados.
Esto se revela particularmente útil cuando los segmentos divergentes
controlados no están a su vez alimentados de aire de
refrige-
ración.
ración.
El hecho de limitar el calentamiento de los
segmentos divergentes controlados permite, por una parte, aumentar
la duración de la vida de las piezas de estos segmentos, y por otra
parte, en el marco de las operaciones militares, mejorar la
discreción infrarroja de la tobera del avión.
Según un modo particular de realización de la
invención, las paredes externa e interna de la tobera están
encajadas la una en la otra al nivel de sus extremos laterales,
conservando al mismo tiempo la posibilidad de deslizar entre sí.
Así, durante el funcionamiento del reactor, las
tensiones mecánicas en el seno del segmento son limitadas, puesto
que dichas paredes pueden deslizar entre sí. Unas tensiones
mecánicas de este tipo pueden dar lugar, por ejemplo, a diferencias
de dilatación entre las paredes externa e interna, debido a que
éstas últimas están sometidas a temperaturas diferentes.
Además, para optimizar las prestaciones de una
tobera CV-DV, es deseable reducir al mínimo las
fugas de gases calientes entre los segmentos divergentes controlados
y los segmentos divergentes seguidores. Por esta razón, cada
segmento seguidor debe presentar una flexibilidad en torsión, de
manera que sus bordes laterales permanezcan en contacto con la
superficie interna de los dos segmentos controlados que le rodean,
aun cuando exista un ligero desfase entre estos segmentos, lo cual
resulta frecuente con el desgaste de los sistemas de control de
estos segmentos. Se mejora esta flexibilidad en torsión gracias a
las posibilidades de deslizamiento de las paredes externa e interna
entre sí.
Además, de manera que favorece los contactos
entre los bordes laterales de los segmentos divergentes seguidores y
la superficie interna de los segmentos divergentes controlados, los
extremos laterales de las paredes externa e interna son curvos.
Según un modo particular de realización de la
invención, las paredes externa e interna de la tobera presentan cada
una orificios a lo largo de sus extremos laterales. Los orificios de
las paredes se sitúan frente a los orificios de la otra pared cuando
estas paredes están encajadas la una en la otra, y forman así dichas
aberturas laterales.
Ventajosamente, los orificios de una de las
paredes tienen una sección superior a la de los orificios de la otra
pared, de manera que el orificio de sección menor desemboca siempre
en el orificio de mayor sección, sea cual fuere la posición de las
paredes internas y externas entre sí. Esto garantiza la presencia de
aberturas laterales cuando las paredes internas y externas se
deslizan entre sí, a raíz de los fenómenos de dilatación o de
torsión del segmento.
Según un modo particular de realización de la
invención, las paredes interna y externa de los segmentos
divergentes superiores presentan cada una al menos una entalla
dispuesta sobre su periferia lateral, que desemboca en el interior
de uno de dichos orificios.
Una entalla de este tipo permite disminuir las
tensiones mecánicas en el seno del segmento, ligadas a la dilatación
de las paredes, o a la torsión del segmento. Por otra parte, como
cada entalla desemboca en el interior de uno de dichos orificios, se
evita la aparición de grietas en el extremo de la entalla.
Según un modo particular de realización de la
invención, cada segmento divergente seguidor comprende además un
travesaño, situado entre su pared interna y su pared externa, en el
plano de simetría del segmento. Este travesaño refuerza la
estructura del segmento y le permite guardar su forma aun cuando las
presiones ejercidas sobre su pared interna por el flujo de gas
caliente que atraviesa la tobera sean elevadas.
Ventajosamente, la tobera se caracteriza porque
cada segmento divergente seguidor comprende además una guía
deslizante solidaria de la pared externa de dicho segmento, y porque
la sección de dicho travesaño tiene la forma general de una l,
estando fijada la base del travesaño a la pared interna del
segmento, y siendo su parte superior apta para deslizarse en dicha
guía deslizante.
Esta estructura particular permite el movimiento
de la pared interna del segmento con relación a su pared externa.
Así se logra reforzar la estructura del segmento preservando la
flexibilidad de esta última.
Según un modo particular de realización de la
invención, la pared radialmente interna de los segmentos divergentes
seguidores presenta además perforaciones susceptibles de dejar
escapar el aire de refrigeración. Esto permite crear una película de
aire protector en la superficie del segmento.
Según otro modo de realización de la invención,
dichos segmentos divergentes controlados no están alimentados de
aire de refrigeración, y por tanto no están refrigerados más que por
el desvío de las aberturas laterales presentes en los segmentos
seguidores.
Este modo de realización simplifica
considerablemente la estructura de la tobera CV-DV
porque permite realizar segmentos divergentes controlados que no
tienen una estructura hueca, en cajón, necesaria para el paso del
aire de refrigeración. Por el contrario, se puede realizar segmentos
que tengan una estructura llamada de simple piel, es decir, de pared
única. Entonces es fácil unir este tipo de segmento controlado a los
órganos de mando que lo dirigen.
La invención y sus ventajas se comprenderán
mejor con la lectura de la descripción detallada de un modo de
realización preferido, ilustrado por las figuras siguientes:
- la Figura 1 es una vista en perspectiva de una
tobera CV-DV de la técnica anterior;
- la Figura 2 es una vista en corte transversal
de un segmento divergente seguidor de una tobera según la
invención;
- las Figuras 3a y 3b son vistas de detalles de
las aberturas laterales del segmento de la figura 2;
- la Figura 4 representa una parte de los
segmentos divergentes de una tobera según la invención, vista desde
el interior de la tobera;
- la Figura 5 es una vista en perspectiva de una
tobera CV-DV según la invención; y
- la Figura 6 representa esquemáticamente en
semicorte axial una tobera CV-DV según la
invención.
La estructura general de la tobera según la
invención es semejante a la de la tobera representada en la figura
1, y descrita anteriormente.
La tobera 1 comprende unos segmentos
convergentes 2 y unos segmentos divergentes 4. Entre los segmentos
divergentes 4, se distingue los segmentos divergentes controlados 4a
y los segmentos divergentes seguidores 4b. Cada segmento divergente
seguidor 4b se apoya en los dos segmentos divergentes controlados
adyacentes en una zona situada al nivel de sus bordes laterales.
Los segmentos divergentes controlados 4a están
articulados en su extremo de aguas arriba sobre los extremos de
aguas abajo de los segmentos convergentes controlados 2a, y los
segmentos divergentes seguidores 4b están igualmente articulados en
su extremo de aguas arriba sobre los extremos de aguas abajo de los
segmentos convergentes seguidores 2b.
Cada segmento divergente seguidor 4b, presenta
una estructura de cajón, y una sección transversal sensiblemente
trapezoidal, representada en la figura 2, con una pared radialmente
interna 6, y una pared radialmente externa 8.
Los extremos laterales 8a de la pared externa 8
y los extremos laterales 6a de la pared interna 6 están curvados y
las curvaturas de los extremos laterales 6a y 8a son tales que las
paredes interna y externa 6 y 8 puedan ser encajadas la una en la
otra, recubriendo los extremos 6a de la pared interna a los de la
pared externa 8.
Por otra parte, los extremos laterales 6a de la
pared interna 6 forman guía deslizante para los extremos laterales
8a de la pared externa 8, de manera que estas paredes pueden
deslizarse entre sí en la dirección axial.
Los bordes laterales del segmento 4b están
formados por tanto mediante el recubrimiento de los extremos
laterales de las paredes interna 6 y externa 8.
El segmento seguidor 4b está igualmente provisto
de varios travesaños 20 repartidos regularmente a lo largo del
segmento y situados entre la pared interna 6 y la pared externa 8,
en el plano de simetría del segmento.
El travesaño 20 está constituido por un alma
rectilínea unida a una base y una parte superior perpendicular al
alma, teniendo la sección del travesaño la forma general de una l.
La base del travesaño está fijada, por soldadura, soldadura de
latón, o cualquier otro medio de fijación apropiado, a la pared
interna 6 del segmento. La parte superior del travesaño 20 se
compone de dos ramas 20a que se apartan a cada lado del alma del
travesaño 20, perpendicularmente a la dirección de esta alma.
En la pared externa 8 del segmento se fija una
guía deslizante axial 22 en la cual se practica una hendidura 24 que
se extiende siguiendo el plano de simetría del segmento. La anchura
de la hendidura 24 es superior al espesor del alma del travesaño 20,
y por tanto el travesaño 20 puede deslizar en la guía deslizante 22
siguiendo la dirección de la hendidura. Las ramas 20a del travesaño
20 se extienden entre la guía deslizante 22 y la pared externa 8, y
son aptas para situarse a tope contra la una o contra la otra de
estas partes para limitar el acercamiento o el alejamiento de las
paredes interna 6 y externa 8, con lo cual se mejora el
mantenimiento en forma del segmento.
Como se ha representado en las figuras 3a y 3b,
las paredes interna y externa 6, 8 presentan cada una a lo largo de
sus extremos laterales 6a, 8a unos orificios 12, 14 dispuestos a
intervalos regulares.
Cuando las paredes 6, 8 están encajadas la una
en la otra, los orificios 14 de la pared externa 8 se sitúan frente
a los orificios 12 de la pared interna 6, y forman así unas
aberturas laterales en la estructura del segmento seguidor 4b.
Los orificios 12 de la pared externa 8 son de
forma oblonga y tienen una sección superior a la de los orificios
circulares 14 de la pared interna 6. El tamaño y la forma de los
orificios oblongos 12 están determinados para que los orificios
circulares 14 no sean enmascarados nunca, incluso cuando las paredes
externa 8 e interna 6 se dilatan de manera diferente y/o cuando el
segmento seguidor 4b experimenta una torsión que provoca un
desplazamiento de las dos paredes 6 y 8, la una con respecto a la
otra.
Por otra parte, las paredes interna y externa 6,
8 están respectivamente provistas de entallas 16 y 18 situadas a
intervalos regulares a lo largo de sus extremos laterales 6a y 8a.
Estas entallas 16, 18 comienzan en el borde de los extremos
laterales 6a, 8a, se extienden perpendicularmente a este borde al
nivel de los orificios 12 y 14 practicados en cada una de las
paredes 6 y 8.
Como se ha representado en las figuras 2 y 4, la
pared interna 6 de los segmentos seguidores 4b presenta numerosas
perforaciones 26 en su parte central. Se habla de
multiperforaciones.
Haciendo referencia a las figuras 4, 5 y 6,
cuando los segmentos controlados 4a no son alimentados de aire de
refrigeración, y sólo lo son los segmentos seguidores, la
refrigeración de los segmentos divergentes de la tobera
precedentemente descrita se desarrolla como sigue.
El aire de refrigeración de los segmentos
divergentes seguidores 4b proviene de un colector, no representado,
colocado aguas arriba de la tobera, con respecto al sentido del
flujo de los gases calientes que la atraviesan. El aire tomado es
encaminado hasta los segmentos divergentes seguidores 4b, como se ha
representado esquemáticamente en la figura 6, pasando bajo una
camisa de protección térmica 30 del turborreactor situada aguas
arriba de la tobera, y por un sistema de canalizaciones 32. A
continuación, el aire circula por el interior de la estructura en
cajón de los segmentos divergentes 4b, y sale por las perforaciones
26 y las aberturas laterales 12, 14 de dichos segmentos 4b.
El aire frío que sale por las perforaciones 26,
según las flechas F, permite limitar el calentamiento de la pared
interna 6 de los segmentos divergentes seguidores 4b creando una
película de aire fresco en la cara interna de esta pared.
El aire frío que sale por las aberturas
laterales 12, 14 según las flechas F’ es dirigido a su vez
circunferencialmente hacia la cara interna de los segmentos
divergentes controlados 4a y permite en primer lugar enfriar ésta
última por impacto. A continuación, este aire frío crea una película
protectora sobre la cara interna de los segmentos divergentes
controlados 4a, lo cual permite atenuar los intercambios de calor
entre los gases calientes que atraviesan la tobera y los segmentos
4a, por lo cual se limita su calentamiento.
Claims (11)
1. Tobera convergente-divergente
de turborreactor que comprende segmentos divergentes controlados
(4a), segmentos divergentes seguidores (4b) intercalados entre los
segmentos controlados, y medios (32) para alimentar de aire de
refrigeración los segmentos divergentes seguidores (4b), teniendo
dichos segmentos divergentes seguidores (4b) una estructura en cajón
con una pared radialmente interna (6), y una pared radialmente
externa (8), caracterizada porque dichos segmentos
divergentes seguidores presentan unas aberturas laterales destinadas
a proporcionar aire de refrigeración en dirección a la cara interna
de dichos segmentos divergentes controlados (4a), para enfriar
éstos últimos.
2. Tobera según la reivindicación 1,
caracterizada porque las paredes externa (8) e interna (6) de
la tobera están encajadas la una en la otra al nivel de sus extremos
laterales, conservando al mismo tiempo la posibilidad de deslizar
entre sí.
3. Tobera según la reivindicación 2,
caracterizada porque dichos extremos laterales de las paredes
externa (8) e interna (6) son curvos.
4. Tobera según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque las paredes
externa (8) e interna (6) presentan cada una orificios (12, 14) a lo
largo de sus extremos laterales, y porque los orificios (12) de una
de las paredes (8) se sitúan frente a los orificios (14) de la otra
pared (6) cuando estas paredes están encajadas la una en la otra,
por lo cual se forman dichas aberturas laterales.
5. Tobera según la reivindicación 4,
caracterizada porque los orificios (12) de una de las paredes
(8) tienen una sección superior a la de los orificios (14) de la
otra pared (6).
6. Tobera según la reivindicación 4 ó 5,
caracterizada porque los orificios (12) de una de las paredes
(8) son de forma oblonga, mientras que los orificios (14) de la otra
pared (6) son de forma circular.
7. Tobera según una cualquiera de las
reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque las paredes
externa (8) e interna (6) presentan cada una al menos una entalla
(16, 18) dispuesta sobre su periferia lateral, que desemboca en el
interior de uno de dichos orificios (12, 14).
8. Tobera según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque cada
segmento divergente seguidor (4b) comprende además un travesaño
(20), situado entre su pared interna (6) y su pared externa (8), en
el plano de simetría de dicho segmento.
9. Tobera según la reivindicación 8,
caracterizada porque cada segmento divergente seguidor (4b)
comprende además una guía deslizante (22) fijada a la pared externa
(8) de dicho segmento, y porque dicho travesaño (20) tiene la forma
general de una l, estando fijada su base a la pared interna (6) de
dicho segmento, y siendo su parte superior apta para deslizarse en
dicha guía deslizante (22).
10. Tobera según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes 3, caracterizada porque la pared
radialmente interna (6) de los segmentos divergentes seguidores (4b)
presenta además unas perforaciones (26) susceptibles de dejar
escapar al aire de refrigeración.
11. Tobera según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque dichos
segmentos divergentes controlados (4a) no están alimentados con aire
de refrigeración.
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