ES2284455T3 - Mecanismo de apoyo y accionador lineal para un anillo unisono de una tobera vectorial axisimetrica. - Google Patents

Abstract

Un aparato (100, 98) de accionamiento lineal y apoyo de un anillo vectorial para usar en una tobera vectorial (14) de un motor de turbina de gas de aviación para accionar y soportar un anillo vectorial (86), comprendiendo dicho aparato: un accionador lineal (90) conectado por una barra deslizante (102) al anillo vectorial (86); un medio de apoyo (100) del anillo vectorial para soportar a deslizamiento dicha barra deslizante (102), restringir el movimiento circunferencial del anillo vectorial (86), y transmitir las cargas laterales que actúan sobre el anillo vectorial (86) a una porción relativamente estacionaria del motor y CARACTERIZADO POR: una primera articulación (96) del accionador que conecta dicho accionador lineal (90) a un extremo delantero de dicha barra deslizante (102) y una articulación trasera (120) del accionador que conecta un extremo trasero (116) de dicha barra deslizante (102) al anillo vectorial (86).

Description

Mecanismo de apoyo y accionador lineal para un anillo unisono de una tobera vectorial axisimétrica.

Esta invención se refiere generalmente a toberas de empuje vectorial axisimétricas y de garganta variable y, mas particularmente, a un aparato de apoyo y de accionamiento de un anillo vectorial, de accionamiento lineal, para el anillo vectorial de accionamiento y de apoyo que se usa para pivotar los flaps de la tobera que sectorizan el flujo de escape de la tobe-
ra.

En aplicaciones de aviación militar existe la necesidad de aumentar la maniobrabilidad del avión tanto en misiones de combate aire-aire como en misiones complicadas de ataque a tierra. Los diseñadores aeronáuticos tratan de reemplazar o suplementar el uso de superficies aerodinámicas convencionales, tales como flaps y alerones, con toberas vectoriales que desvían o sectorizan el flujo del escape y el empuje del motor de turbina de gas que propulsa al avión. La Patente Estadounidense nº 4.994.660, concedida a Hauer, describe una tobera axisimétrica de escape vectorial que proporciona un medio para sectorizar el empuje de una tobera axisimétrica convergente/divergente pivotando universalmente los flaps divergentes de la tobera de una manera asimétrica o, dicho de otro modo, pivotando los flaps divergentes en direcciones tangencial y radial con respecto al eje central no sectorizado de la tobera. Los flaps son pivotados por un anillo vectorial que puede ser trasladado y movido cardánicamente o basculado alrededor de sus ejes horizontal y vertical dentro de un margen limitado (esencialmente para graduar su posición).

El empuje sectorizado produce unas cargas tangenciales y radiales denominadas cargas laterales que se transmiten desde los flaps por diversos caminos de carga retrocediendo hasta la carcasa del motor a través de los accionadores. Estas tremendas cargas exigen accionadores pesados para absorber las cargas y, particularmente, los momentos flectores ejercidos sobre los ejes de los accionadores por la vectorizacion del empuje.

La Patente Estadounidense nº 5.174.502, concedida a Lippmeier y otros, describe un soporte para el anillo vectorial que transfiere a una porción relativamente estacionaria del motor al menos una porción de las cargas laterales actuantes generadas por una tobera de empuje vectorial de un motor de turbina de gas. La Patente Estadounidense nº 5.174.502 describe un aparato para minimizar o eliminar las cargas laterales transferidas por la tobera a los accionadores, reducir o eliminar los momentos flectores a los cuales estarían sometidos los accionadores debido a las cargas radiales, y minimizar el tamaño y el peso de los accionadores de la tobera y del sistema hidráulico utilizado para mover los accionadores. El soporte incluye una articulación pivotante que permite el movimiento pivotante o de cardan y la traslación del anillo vectorial con dos grados de libertad (2 GDL). Una de las realizaciones tiene un medio de apoyo de doble articulación con una primera articulación rectangular unida pivotalmente a la carcasa del motor mediante una bisagra. La primera articulación está conectada pivotalmente a una segunda articulación que a su vez está embisagrada de modo universal al anillo vectorial por una articulación de 3 GDL o esférica.

Dicho brevemente, según un aspecto de la presente invención, se proporciona un aparato de apoyo y de accionamiento de un anillo vectorial para accionar un anillo vectorial y transferir a una porción relativamente estacionaria del motor las cargas laterales ejercidas sobre el anillo vectorial y generadas por una tobera de empuje vectorial de un motor de turbina de gas, y bascular el anillo vectorial para vectorizar el empuje de la tobera. El aparato de apoyo y de accionamiento del anillo vectorial incluye un accionador lineal conectado por una barra deslizante al anillo vectorial. Una primera articulación del accionador conecta el accionador lineal a un extremo delantero de la barra deslizante y una articulación trasera del accionador conecta un extremo trasero de la barra deslizante al anillo vectorial. Un aparato de apoyo de un anillo vectorial soporta a deslizamiento la barra deslizante, restringe el movimiento circunferencial del anillo vectorial, y transfiere las cargas laterales que actúan sobre el anillo vectorial a una porción relativamente estacionaria del motor.

La articulación trasera del accionador tiene preferiblemente tres grados de libertad y la articulación delantera del accionador tiene un grado de libertad rotacional. La articulación trasera del accionador es preferiblemente una articulación esférica con tres grados de libertad rotacionales. La articulación delantera del accionador es preferiblemente una articulación de horquilla que incluye dos orejetas interdigitadas con tres orejetas y unidas a estas pivotalmente mediante un pasador.

En una realización de la presente invención, el aparato de apoyo del anillo vectorial incluye al menos un conjunto de guiado con una guía hueca montada sobre una carcasa del motor mediante una estructura soporte y con la barra deslizante soportada a deslizamiento en el interior de la guía. Preferiblemente, el aparato de apoyo del anillo vectorial incluye unos soportes delantero y trasero de los cuales el soporte trasero está separado del delantero y por detrás del mismo. Otra realización incluye unas ruedas montadas en el interior de la guía hueca y dispuestas entre la guía y la barra deslizante. Otras realizaciones proporcionan la barra deslizante hueca con una sección transversal rectangular o cilíndrica. En la realización cilíndrica, un cojinete anular de recubrimiento está dispuesto a deslizamiento alrededor de la barra deslizante cilíndrica y está retenido por unas ranuras o pistas que corren radialmente por el conjunto circunferencial de apoyo del anillo.

Entre las ventajas proporcionadas por el aparato de accionamiento lineal y apoyo de un anillo vectorial de la presente invención está la capacidad para reducir o incluso eliminar las cargas laterales transferidas a los accionadores del anillo vectorial y los momentos flectores a los que estarían sometidos los accionadores y sus brazos, combinada con la capacidad de accionar el anillo vectorial. La presente invención reduce además el tamaño total de la estructura necesaria para efectuar estas dos funciones con respecto a los diseños de la técnica anterior y reduce el número de piezas utilizadas para proporcionar las funciones combinadas de la invención. La presente invención combina los mecanismos para el accionamiento y el apoyo del anillo vectorial en lugar de separar las funciones de apoyo del anillo y de accionamiento del anillo en dos puntos independientes de interfaz del anillo vectorial, y efectúa ambas funciones de apoyo del anillo y de accionamiento del anillo con un único mecanismo que hace al aparato menos complicado y estructuralmente mejorado con respecto al de la técnica anterior. La invención libera espacio en dirección longitudinal a lo largo del conducto de escape o de la carcasa del motor, haciendo que sea más fácil encontrar sitio para otros equipos de la tobera.

La presente invención elimina un conjunto de horquillas en el anillo vectorial que se usarían para sujetar los accionadores al anillo, con lo cual se simplifica el anillo y se reduce su coste y su peso. Colocando los accionadores del anillo vectorial enfrentados y alineados con el aparato de apoyo y de accionamiento de la presente invención, se deja espacio en dirección circunferencial alrededor de la carcasa de la tobera del motor, haciendo que sea más fácil encontrar sitio para otros equipos de la tobera.

A continuación se describirá la invención con mayor detalle, a titulo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los cuales:

La Fig. 1 es una vista en perspectiva parcialmente recortada ilustrando una tobera de escape, axisimétrica y vectorial, de un motor de turbina de gas, con un aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial según la realización preferida de la presente invención.

La Fig. 2 es una vista ampliada de la realización preferida del aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial ilustrado en la Fig. 1.

La Fig. 3 es una vista en perspectiva ilustrando una primera realización alternativa del aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial ilustrado en la Fig. 1.

La Fig. 4 es una vista en perspectiva ilustrando una segunda realización alternativa del aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial ilustrado en la Fig. 1.

La Fig. 5 es una ilustración esquemática en sección transversal de una barra deslizante cilíndrica montada dentro de un cojinete de movimiento lineal en el aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial ilustrado en la Fig. 4.

La Fig. 6 es una ilustración esquemática en sección transversal de una barra deslizante cilíndrica montada dentro de un cojinete de movimiento lineal con rodamientos a bolas recirculantes en el aparato de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial ilustrado en la Fig. 4.

La Fig. 7 es una ilustración esquemática en sección transversal de la barra deslizante con una sección rectangular.

La Fig. 8 es una ilustración esquemática en sección transversal de una barra deslizante hueca con una sección rectangular hueca.

La Fig. 9 es una ilustración esquemática en sección transversal de una barra deslizante en viga de doble T con una sección de viga de doble T.

La presente invención esta ilustrada en la Fig. 1 como un aparato 98 de accionamiento lineal y de apoyo de un anillo vectorial que incluye un aparato 100 de apoyo de un anillo vectorial ilustrado como parte de una sección 10 de escape de un motor de turbina de gas para aviones que comprende, correlativamente en el sentido del flujo, un conducto de escape de área fija o carcasa 11 del motor, que incluye una camisa 12 de postcombustión, y una sección 13 situada aguas abajo, de área variable, con una tobera vectorial 14 axisimétrica de tipo convergente divergente según se referenció anteriormente en la patente de Hauer.

Refiriéndose a la Fig. 1, la tobera 14 comprende, correlativamente en el sentido del flujo, una sección convergente 34, una garganta 40 y una sección divergente 48. La sección convergente 34 incluye una pluralidad de flaps primarios o convergentes 50, dispuestos circunferencialmente alrededor del eje longitudinal 8 del motor, con unos sellos primarios 51 solapados y dispuestos y encajados herméticamente entre las superficies encaradas radialmente hacia dentro de los flaps primarios 50 circunferencialmente adyacentes. El flap primario 50 esta unido pivotalmente por su extremo delantero a la carcasa 11 por una primera articulación 52 pivotante o de horquilla. Un flap 54 secundario o divergente está unido pivotalmente por su extremo delantero a extremo trasero del flap primario 50 por una articulación universal con dos grados de libertad (2GDL), tal como una articulación esférica 56 del flap situada generalmente en una posición axial de la tobera 14 que coincide con la garganta 40. Los flaps secundarios 54 están generalmente dispuestos circunferencialmente alrededor del eje longitudinal 8 del motor, con unos sellos secundarios 55 solapados y dispuestos y encajados herméticamente entre las superficies encaradas radialmente hacia dentro de los flaps secundarios 54 circunferencialmente adyacentes. La garganta 40 lleva asociada un área de garganta convencionalmente denominada A8, y la salida 44 de la tobera está generalmente al final de los flaps secundarios 54 y tiene asociada un área de salida convencionalmente denominada A9.

Una pluralidad de rodillos 62 se encuentran dispuestos en una estructura anular primaria 66 que a su vez es trasladada hacia delante y hacia atrás por una pluralidad de accionadores primarios 70, de los cuales existen tres en la realización preferida. En conjunción con la presente invención pueden utilizarse más de tres accionadores primarios 70. El área de garganta variable A8 está controlada por la acción de un rodillo 62 de leva sobre la superficie 60 de leva que está formada en el dorso del flap primario 50. Durante la operación, la alta presión de los gases de escape en el interior de la tobera fuerza los flaps primarios 50 y los flaps secundarios 54 radialmente hacia fuera, manteniendo así la superficie 60 de leva en contacto con el rodillo 62 de leva. Un soporte 76 del accionador, anular y cónico, está montado por su extremo delantero estrecho sobre la carcasa 11 del motor, y el accionador primario 70 está conectado pivotalmente al extremo trasero ancho del soporte cónico 76 del accionador por una articulación universal de rótula 74. El accionador primario 70 tiene un vástago 73 del accionador que a su vez esta conectado a la estructura anular primaria 66 por una articulación
esférica 68.

Una pluralidad de accionadores vectoriales 90, de los cuales hay tres en la realización preferida, están dispuestos circular y equiangularmente alrededor de la carcasa 11 y montados sobre el soporte cónico 76 del accionador mediante unas articulaciones universales de rótula 94 de manera similar a los accionadores 70.

Se utiliza un anillo vectorial 86 para controlar el posicionamiento o pivotamiento de los flaps secundarios 54 para proporcionar la vectorizacion del empuje. Los flaps secundarios 54 están conectados pivotalmente a los flaps primarios 50 por la articulación de rótula 56 de los flaps y están pivotalmente controlados con múltiples grados de libertad por una pluralidad de respectivos bastidores 59 en forma de Y que tienen unos brazos de control 57 y 58 que conectan operativamente el anillo vectorial 86 al flap secundario 54. Los flaps exteriores 64 están soportados al menos parcialmente por los bastidores 59 en forma de Y y proporcionan una forma aerodinámica limpia y suave a lo largo del exterior de la tobera.

Los brazos de control 57 y 58 están conectados al anillo vectorial 86 por unas articulaciones esféricas 82 de 3 GDL y al extremo trasero del flap secundario 54 por una articulación esférica 84. Esta articulación sirve para transformar un cambio de posición del anillo vectorial 86 en un cambio pivotal o movimiento orbital con múltiples grados de libertad del flap secundario 54 mediante el cual cada flap secundario puede pivotar sobre un ángulo diferente. El lomo 92 proporciona una montura para el flap secundario 54 y un apoyo para la articulación 84 y la articulación de rótula 56 del flap por sus dos extremos. Las FIGS 2 y 3 ilustran más claramente como está soportado y accionado el anillo vectorial 86 por tres de los aparatos 100 de apoyo del anillo vectorial. Cada uno de los aparatos 100 de apoyo del anillo vectorial incluye al menos uno y preferiblemente dos conjuntos de guiado delantero y trasero 101 y 104, respectivamente, separados axialmente. Cada conjunto de guiado 104 tiene una estructura soporte 106, con dos patas 105 separadas circunferencialmente, que soportan una guía hueca 108 dentro de la cual está dispuesta a deslizamiento una barra deslizante 102 axialmente trasladable que tiene un eje 103 de la barra. Las patas 105 están reforzadas por unas riostras o cartelas 113 unidas a una base 115 de los conjuntos de guiado 104 para proporcionar mayor resistencia y estabilidad a la estructura soporte 106. La guía 108 incluye unas superficies deslizantes 112, circunferencialmente separadas, en los lados correspondientes de las patas 105. Unas almas radialmente interior y exterior 109 y 111, respectivamente, conectan las patas 105 formando la guía hueca 108. Las patas 105 están montadas de manera fija sobre una porción relativamente estacionaria del motor, tal como el conducto de escape o carcasa 11 del motor. El aparato 100 de apoyo del anillo vectorial proporciona un medio de apoyo circunferencial del anillo para soportar a deslizamiento la barra deslizante, restringir el movimiento circunferencial del anillo vectorial, y transferir a una porción relativamente estacionaria del motor las cargas ejercidas sobre el anillo vectorial.

Cada uno de los accionadores vectoriales 90 incluye un vástago 93 del accionador vectorial dispuesto sobre un eje 95 del accionador. Un primer extremo trasero 91 del vástago 93 del accionador vectorial esta conectado a un primer extremo delantero 107 de la barra deslizante 102 mediante una articulación delantera 96 del accionador que tiene un solo grado de libertad. La articulación delantera 96 del accionador es preferiblemente una articulación de horquilla que se ha representado con dos orejetas 126, situadas en el primer extremo trasero 91 del vástago 93 del accionador vectorial, que están interdigitadas y sujetas pivotalmente, mediante un primer pasador 128, con tres orejetas 130 situadas en el primer extremo delantero 107 de la barra deslizante 102. El primer pasador 128 tiene un eje que se corta perpendicularmente con el eje longitudinal de la tobera o eje longitudinal 8 del motor. La articulación de horquilla permite que el eje 95 del accionador esté desalineado con respecto al eje 103 de la barra. Así se absorben las tolerancias de fabricación y montaje entre el soporte 76 del accionador, situado sobre la carcasa 11 del motor, y la estructura soporte 106. La articulación delantera 96 con pasador del accionador mantiene además el vástago 93 del accionador y la barra deslizante 102 alineados en un plano radial que atraviesa el eje longitudinal 8 de la tobera o el motor, evitando así que flexionen el uno con respecto al otro.

El anillo vectorial 86 está conectado a un segundo extremo trasero 116 de la barra deslizante 102 mediante una segunda articulación 120 que es una articulación universal y, preferiblemente, una articulación de rótula que tenga tres grados de libertad rotacionales.

Los aparatos 98 de accionamiento lineal y apoyo del anillo vectorial proporcionan la traslación axial y el basculamiento del anillo vectorial 86 sobre el eje longitudinal 8 con objeto de controlar su posición. Los tres accionadores vectoriales 90 y los tres correspondientes aparatos 100 de apoyo del anillo vectorial están dispuestos circunferencial y equiangularmente alrededor de la carcasa 11, lo cual permite que el anillo vectorial 86 sea trasladado axial y cardánicamente por los accionadores vectoriales 90.

La barra deslizante 102, la articulación delantera 96 del accionador y la segunda articulación 120 permiten al accionador 90 bascular y trasladar a la vez el anillo vectorial 86 extendiendo simultánea o diferencialmente los tres accionadores 90. El conjunto de guiado 104 elimina la transferencia de las cargas laterales que actúan en una dirección tangencial a la carcasa 11 del motor, que de otro modo se comunicarían al accionador. El conjunto de guiado 104 permite que la barra deslizante 102 absorba las cargas circunferenciales procedentes del anillo vectorial 86 y las transfiera a la carcasa 11 del motor, de manera que los tres aparatos 100 de apoyo del anillo vectorial actúan juntos para impedir que el anillo vectorial se mueva hacia los lados.

Los aparatos 100 de apoyo del anillo vectorial permiten el ajuste de la posición o el movimiento cardánico y el traslado del anillo vectorial 86 y permiten además la traslación axial del anillo vectorial para tener control del área de salida A9. La barra deslizante 102 ilustrada en la Fig. 2 tiene una sección transversal RX maciza, según se ilustra en la Fig. 7, y se desliza a lo largo de las superficies deslizantes 112 del interior de la guía hueca 108. La barra deslizante 102 tiene preferiblemente una sección transversal HRX rectangular y hueca, según se ilustra en la Fig. 8, y actúa como una viga tubular hueca 110. En otra realización alternativa, ilustrada en la Fig. 9, la barra deslizante 102 tiene una sección transversal IX en viga de doble T, con las alas 230 de la doble T en contacto con las superficies deslizantes 112.

En la Fig. 3 se ilustra una realización alternativa de la guía hueca 108, en la cual las superficies deslizantes 112 están sustituidas por unos rodillos 118 que encajan en la barra deslizante 102, permitiendo así que la barra deslizante se deslice muy fácilmente a través de la guía.

En las Figs. 4 y 5 se ilustra otra realización alternativa de la guía hueca 108, en la cual la barra deslizante es una barra deslizante cilíndrica 202 que tiene una sección transversal circular. La barra deslizante cilíndrica 202 está dispuesta a deslizamiento dentro de un cojinete anular 204 de desplazamiento lineal situado en cada uno de los conjuntos de guiado 104. El cojinete anular 204 de desplazamiento lineal está retenido en unas pistas 206 que corren radialmente por las patas 105 circunferencialmente separadas del conjunto de guiado 104. El cojinete 204 de desplazamiento lineal está ilustrado en la Fig. 5 como un cojinete liso con una superficie de bajo rozamiento entre la barra deslizante cilíndrica 202 y el cojinete de desplazamiento lineal. Las pistas 206 están ilustradas como unas acanaladuras recortadas en las patas 105. El cojinete anular 204 de desplazamiento lineal puede rodar por la pista 206 y trasladarse radialmente durante la vectorizacion de la tobera. Un alma semicircular 210 radialmente exterior junto con el alma 109 radialmente interior conectan las patas 105 para formar la guía anular hueca 108. Esto permite un movimiento radial limitado del cojinete 204 dentro de la guía 108, restringido por el alma semicircular 210 y el alma 109 radialmente interior, para que el anillo vectorial 86 pueda pivotar de modo cardánico. La Fig. 6 ilustra una realización alternativa del cojinete 204 de desplazamiento lineal que tiene unos cojinetes 220 de bolas recirculantes entre este y la barra deslizante cilíndrica 202.

Claims (9)

1. Un aparato (100, 98) de accionamiento lineal y apoyo de un anillo vectorial para usar en una tobera vectorial (14) de un motor de turbina de gas de aviación para accionar y soportar un anillo vectorial (86), comprendiendo dicho aparato:

un accionador lineal (90) conectado por una barra deslizante (102) al anillo vectorial (86);

un medio de apoyo (100) del anillo vectorial para soportar a deslizamiento dicha barra deslizante (102), restringir el movimiento circunferencial del anillo vectorial (86), y transmitir las cargas laterales que actúan sobre el anillo vectorial (86) a una porción relativamente estacionaria del motor y caracterizado por:

una primera articulación (96) del accionador que conecta dicho accionador lineal (90) a un extremo delantero de dicha barra deslizante (102) y una articulación trasera (120) del accionador que conecta un extremo trasero (116) de dicha barra deslizante (102) al anillo vectorial (86).

2. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 1, en el cual dicha articulación trasera (120) del accionador comprende un medio con 3 grados de libertad para unir dicha barra deslizante (102) al anillo vectorial (86).

3. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 2, en el cual dicho medio con 3 grados de libertad comprende una articulación de rótula (74) que tiene tres grados de libertad rotacionales.

4. Un aparato según se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en el cual dicha articulación delantera (96) del accionador tiene un grado de libertad rotacional.

5. Un aparato según se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en el cual dicha articulación delantera (96) del accionador es una articulación de horquilla (52) que incluye dos orejetas (126) interdigitadas y unidas mediante un pasador de modo pivotante con tres orejetas (130).

6. Un aparato según se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en el cual dicho medio de apoyo (100) del anillo vectorial comprende al menos un conjunto de guiado (101) que tiene una guía hueca (108) montada sobre una carcasa (11) del motor mediante una estructura soporte (106) y dicha barra deslizante (102) está soportada a deslizamiento dentro de dicha guía.

7. Un aparato según se reivindica en la reivindicación 6, en el cual dicho al menos un conjunto de guiado (101) es un conjunto de guiado delantero y el aparato (98) comprende adicionalmente un conjunto de guiado trasero (104), estando dicho conjunto de guiado trasero (104) separado de dicho conjunto de guiado delantero (101) y por detrás del mismo.

8. Un aparato según se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en el cual dicha barra deslizante (102) tiene una sección transversal (HRX) rectangular.

9. Un aparato según se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en el cual dicha barra deslizante (102) es hueca (HRX).