ES2403361A1 - Optimización de estructuras sometidas a corrientes de gases calientes. - Google Patents
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Abstract
Optimización de estructuras sometidas a corrientesOptimización de estructuras sometidas a corrientes de gases calientes. El invento se refiere a un ca de gases calientes. El invento se refiere a un carenado (10) para el estabilizador horizontal (3) drenado (10) para el estabilizador horizontal (3) de un avión, que comprende una parte frontal (11) ye un avión, que comprende una parte frontal (11) y una parte trasera (12), cubriendo la parte fronta una parte trasera (12), cubriendo la parte frontal (11) una extensión limitada de la superficie dell (11) una extensión limitada de la superficie del carenado (10), la cual es la parte del carenado ( carenado (10), la cual es la parte del carenado (10) que recibe la corriente de aire caliente (6) p10) que recibe la corriente de aire caliente (6) procedente de los motores (4) del avión, estando herocedente de los motores (4) del avión, estando hecha esa parte frontal (11) de un material antieroscha esa parte frontal (11) de un material antierosión, cubriendo la parte trasera (12) el resto de lión, cubriendo la parte trasera (12) el resto de la superficie del carenado (10), estando hecha esa a superficie del carenado (10), estando hecha esa parte trasera (12) de un material resistente a lasparte trasera (12) de un material resistente a las cargas aerodinámicas existentes sobre el carenado cargas aerodinámicas existentes sobre el carenado (10). El invento se refiere también a un avión qu (10). El invento se refiere también a un avión que comprende un estabilizador horizontal (3) con une comprende un estabilizador horizontal (3) con un carenado (10) tal como el que se describe. carenado (10) tal como el que se describe.
Description
Optimización de estructuras sometidas a corrientes de gases calientes.
El presente invento se refiere a la optimización de estructuras que están sometidas a corrientes de gases calientes, en particular al diseño de un carenado de avión y, más en particular, al diseño del carenado del estabilizador horizontal de un avión.
Un carenado de avión es una estructura cuya función principal es la de producir un contorno suave y reducir la resistencia aerodinámica. Estas estructuras son cubiertas de los espacios de separación y de los espacios entre las partes de un avión, reduciendo así la resistencia aerodinámica y la resistencia por interferencia en esas partes, mejorando también el aspecto del avión.
En los aviones, las carenas se usan corrientemente en el timón de profundidad y en las puntas del estabilizador horizontal, en los capós de los motores, en el estabilizador vertical y en las puntas del timón de dirección, y en la raíz del ala y en las puntas de ala. En particular, en el caso de carenas en el timón de profundidad y en las puntas del estabilizador horizontal, el carenado tiene como objetivo suavizar el flujo de aire en las puntas.
El carenado en los estabilizadores horizontales de un avión sufre erosión que lo degrada con el tiempo, como el resto de las carenas presentes en el avión, puesto que éstas son elementos que trabajan en ambientes particularmente erosivos. Sin embargo, estas carenas sufren también erosión producida por la corriente de aire caliente procedente de los motores (por condiciones de más alta temperatura y velocidad), siendo por lo tanto el tema de la erosión un tema principal en el diseño de estos carenados de los estabilizadores horizontales, especialmente en los casos de pequeños aviones, con una distancia corta entre el ala y la cola. Este efecto debido a la corriente de aire caliente procedente de los motores es particularmente relevante en los casos del aterrizaje y el despegue de los aviones. Por consiguiente, estos carenados no se hacen tan ligeros y baratos como podrían hacerse, debido a la limitación que imponen los requisitos respecto a la erosión, siendo provistos por lo tanto de una protección específica antierosión. Otra consideración a ser tenida en cuenta es la complicada y retorcida superficie de estos carenados. Todas las consideraciones y requisitos antes mencionados obligan a la fabricación de carenados para los estabilizadores horizontales como partes completas, de un modo no óptimo, con objeto de que resistan a la degradación por erosión.
Por las razones mencionadas, los carenados para los estabilizadores horizontales se fabrican de un material metálico, comprendiendo además áreas de protección contra la erosión para evitar que el elemento base se deteriore.
Debido a la especial configuración y a la forma retorcida de los carenados en los estabilizadores horizontales, estos carenados se hacen en la actualidad principalmente de chapas metálicas, que son conformadas y unidas después, por soldadura o mediante remaches. Estos carenados conocidos tienen el problema de que exigen que se cumplan costosos y prolijos requisitos de inspección, tal como por rayos-x, teniendo además más altos costes de fabricación debido a los procesos manuales empleados. Además, estos elementos plantean problemas de calidad debido a su particular conformación, conocida típicamente como de "lata de aceite". Se entiende por "lata de aceite" una moderada deformación o pandeo del material de hoja plana hecha de metal, originado típicamente por esfuerzos desiguales en los puntos de sujeción. Además, está resultando cada vez más difícil hallar los tratamientos de protección de la superficie apropiados para esos elementos, teniendo en cuenta que en tales clases de elementos es obligatoria la protección especial de la superficie contra la erosión.
Las soluciones conocidas se enfocan en la actualidad en el uso de carenados metálicos: debido a las grandes dimensiones de estos elementos y a las consideraciones de peso asociadas, el metal más corrientemente usado es el aluminio (aunque un carenado hecho de material composite sería en todo caso más ligero). Sin embargo, el material de aluminio no resistirá a largo y a medio plazo a la erosión originada por la corriente de aire caliente procedente de los motores. Además, una vez que haya sido conformada y unida una chapa metálica, se le ha de añadir una protección adicional contra la corrosión, juntamente con una protección específica contra la erosión, tal como la que se obtiene pintándola. Esto plantea el problema de que no se asegura una protección permanente del elemento, puesto que algunas partes de ese elemento pueden estar dañadas o no haber sido cubiertas debidamente con tales protecciones. En algunos casos, se usa acero inoxidable como cubierta adicional para proteger el carenado; en tales casos, esta protección va pegada o curada junto con el carenado, con lo cual se limita tanto el grosor del material como el proceso usado.
Sería por tanto deseable proporcionar un carenado optimizado para el estabilizador horizontal de un avión, que resuelva los inconvenientes antes mencionados.
El presente invento está orientado hacia esa necesidad.
Un objeto del presente invento es proporcionar un diseño de carenado de avión optimizado, en particular, un diseño de carenado optimizado para el estabilizador horizontal de un avión.
De acuerdo con el invento, el carenado comprende una parte frontal y una parte trasera, estando dispuesta la parte frontal de tal modo que cubre una extensión limitada del carenado, la cual es la parte del carenado que recibe la corriente de aire caliente procedente de los motores. La parte frontal del carenado se fabrica para que resista la degradación por erosión, mientras que la parte trasera del carenado debe cumplir los requisitos de proporcionar la configuración dimensional del carenado, haciendo esa parte trasera de una sola pieza unitaria.
Las partes frontal y trasera del carenado de acuerdo con el invento se solapan y se unen además, usando para ello remaches. Por esta razón, la parte trasera sobre la cual solapa la parte frontal, está ensanchada de modo que la parte frontal esté apoyada sobre la misma. Los requisitos más exigentes se han de imponer entonces en el diseño y la estructura de la parte frontal, la cual es la parte del carenado que resiste a la erosión.
Otras características y ventajas del presente invento quedarán claras a la vista de la descripción detallada que sigue de realizaciones ilustrativas del objeto en relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 ilustra una vista general del despegue de un avión, mostrando el área del estabilizador horizontal del avión que sufre los efectos de la corriente caliente procedente de los motores.
La Figura 2 ilustra una vista en planta de un avión en vuelo, en la que se muestran además las áreas del estabilizador horizontal que están sometidas a la corriente caliente procedente de los motores.
Las Figuras 3a, 3b y 3c ilustran diferentes vistas de la estructura del carenado de un estabilizador horizontal de un avión de acuerdo con el presente invento.
Las Figuras 4a y 4b ilustran otros detalles y vistas de la estructura de diseño del carenado de acuerdo con el presente invento.
En un avión se usan corrientemente carenados 1 en el timón de profundidad y en las puntas del estabilizador horizontal, en los capós del motor, en el estabilizador vertical y en las puntas del timón de dirección, y en la raíz del ala y en las puntas de ala. En particular, en el caso de carenados en el timón de profundidad y en las puntas del estabilizador horizontal, el carenado tiene por objeto suavizar el flujo de aire en las puntas.
Como se ha ilustrado en las Figuras 1 y 2, los carenados 10 en los estabilizadores 3 horizontales del avión sufren particularmente erosión, puesto que soportan también una corriente de aire caliente 6 procedente de los motores 4, lo que es particularmente relevante para los casos en los cuales existe una corta distancia 5 entre el ala 1 y la cola 7, como se ha ilustrado en la Figura 2 (donde se ha rayado el área del estabilizador horizontal 3 que puede sufrir erosión originada por la corriente de aire caliente 6 procedente de los motores 4 del avión). Como referencia, la distancia 5 entre el ala y la cola 7 se considera corta cuando es de 20 metros o menos, lo que ocurre en los aviones para distancias cortas, que tienen una capacidad media de alrededor de 150 pasajeros. Este efecto de la corriente de aire caliente 6 procedente de los motores 4 es particularmente relevante en los casos del aterrizaje y el despegue del avión (véase la Figura 1 para el caso del despegue). De acuerdo con el invento, se ha propuesto un carenado 10 de avión, en particular para el estabilizador horizontal 3 de un avión, tal que ese carenado 10 es básicamente una cubierta aerodinámica de la parte de punta del estabilizador horizontal 3 del avión. El carenado 10 del invento comprende una parte frontal 11 y una parte trasera 12, sufriendo la parte frontal 11 principalmente la erosión originada por la corriente de aire caliente 6 procedente de los motores 4, mientras que la parte trasera 12 está diseñada para cargas aerodinámicas únicamente. Por lo tanto, la parte frontal 11 está dispuesta de tal modo que cubre una extensión limitada del carenado 10, que es la parte del carenado 10 que recibe la corriente de aire caliente procedente de los motores 4 del avión, la cual es típicamente de un 10% o menos de la longitud total del carenado 10; la parte trasera 12 cubre el resto de la superficie del carenado 10. La parte frontal 11 del carenado 10 se fabrica para que resista a la degradación por erosión, mientras que la parte trasera 12 del carenado 10 ha de cumplir los requisitos de proporcionar la configuración dimensional del citado carenado 10, estando hecha esa parte trasera 12 de una sola pieza unitaria. El hecho de que esa parte trasera 12 esté hecha de una sola pieza hace posible su intercambiabilidad, lo cual es ciertamente ventajoso para las necesidades de mantenimiento y de reparación.
Las partes frontal y trasera del carenado 10, de acuerdo con el invento, se solapan y están además unidas preferiblemente mediante remaches. Por esta razón, la parte trasera 12, sobre la cual solapa la parte frontal 11, está agrandada de modo que la parte frontal 11 esté soportada sobre la misma. Se han de satisfacer por lo tanto los requisitos más rigurosos en el diseño y la estructura de la parte frontal 11, la cual es la parte del carenado 10 que resiste la erosión.
La parte frontal 11 del carenado 10 es preferiblemente fabricada usando un material antierosión, siendo esa parte frontal 11 montada en o unida a la parte trasera 12, la cual es la estructura principal del carenado 10, estando agrandada esa parte trasera 12 con objeto de que soporte a la parte frontal 11. Esta parte frontal 11 puede ser más pesada que las partes tradicionales en los carenados conocidos, pero tiene un mejor comportamiento frente a la erosión. Sin embargo, tomando en consideración lo que se ha indicado anteriormente, la parte trasera 12, la cual es también la parte principal y la más grande del carenado 10, se hace de un material completamente diferente al de la parte frontal 11, puesto que esa parte trasera 12 no se ve afectada por la erosión, de modo que se diseñe y se fabrica una parte más delgada, más ligera y más barata.
Preferiblemente, la parte frontal 11 está hecha de un material metálico, preferiblemente de acero. De acuerdo con otra realización del invento, la parte frontal 11 comprende una metalización de su superficie externa. Además, la parte frontal 11 puede comprender nanopartículas.
En el caso particular en que la distancia 5 desde el ala 1 del avión a la cola 7 del avión sea corta (como se ha indicado anteriormente, típicamente de menos de 20 metros), la superficie horizontal, con respecto a la dirección de vuelo del avión, del estabilizador horizontal 3 se fe afectada por la corriente de aire caliente 6 procedente de los motores 4, que origina un efecto de erosión incrementado en las superficies de la cola 7.
De acuerdo con el invento, la parte frontal 11 y la parte trasera 12 del carenado 10 pueden estar separadas, como se ha ilustrado en las Figuras 4a y 4b: algunos elementos estructurales de la estructura primaria del estabilizador horizontal 3, tales como las costillas, podrían ser agrandados con objeto de soportar la parte frontal 11 del carenado 10, que sufre específicamente la erosión, y protegerla contra ella. En las Figuras 4a y 4b, estos elementos agrandados son costillas, marcadas como 20 y 22. Con esta configuración, la parte frontal 11 del carenado 10 transfiere las cargas a la estructura del estabilizador horizontal 3, de tal modo que esa parte frontal 11 es entonces diseñada atendiendo únicamente a los requisitos relativos a la erosión (la erosión originada por la corriente de aire caliente de los motores 4) de modo que pueda hacerse más ligera y ser optimizada; por lo tanto, de acuerdo con el presente invento se optimiza el diseño del carenado 10 en su conjunto.
De acuerdo con una realización preferida del invento, la parte frontal 11 del carenado 10, la cual es la diseñada para que resista la erosión, se hace de acero inoxidable de muy poco grosor, soportada por la parte trasera 12 hecha de material composite, preferiblemente de CFRP (Polímero Reforzado con Fibra de Carbono) o de GFRP (Polímero Reforzado con Fibra de Vidrio). La parte trasera 12 se hace de una sola pieza, de una vez. Por consiguiente, en este caso, se evitan los requisitos de la inspección de soldadura y la especial. Esta estructura de la parte trasera 12 es más ligera y más barata que las tradicionales, puesto que en la tradicional el control de la calidad es un tema importante y son necesarias muchas horas hombre para efectuar el montaje de todas las partes acoplándolas juntas. Típicamente, la parte frontal 11 del carenado 10 se hace de acero inoxidable de un grosor de aproximadamente 0,4 mm, con el que se han obtenido resultados satisfactorios, puesto que esa parte frontal 11 se diseña únicamente para resistencia a la erosión; sin embargo, puede resultar necesario un elemento de soporte adicional o un aumento del grosor en esa parte frontal 11, por necesidades de diseño de las cargas aerodinámicas o de unión, por ejemplo.
Aunque se ha descrito totalmente el presente invento en relación con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir modificaciones dentro del alcance del mismo, no considerando éste como limitado por esas realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones que siguen.
Claims (14)
- REIVINDICACIONES
- 1.
- Carenado (10) para el estabilizador horizontal de un avión (3) que comprende una parte frontal (11) y una parte trasera (12), cubriendo la parte frontal (11) una extensión limitada de la superficie del carenado (10), la cual es la parte del carenado (10) que recibe la corriente de aire caliente (6) procedente de los motores del avión (4), estando hecha esa parte frontal (11) de un material antierosión, cubriendo la parte trasera (12) el resto de la superficie del carenado (10), estando hecha esa parte trasera (12) de un material que resista las cargas aerodinámicas existentes sobre el carenado (10).
-
- 2.
- Carenado (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la parte frontal (11) cubre un 10% o menos de la longitud total del carenado (10).
-
- 3.
- Carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que la parte trasera (12) es de una sola pieza unitaria, agrandada con objeto de permitir que la parte frontal (11) solape sobre dicha parte (12).
-
- 4.
- Carenado (10) de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la parte frontal (11), y la parte trasera (12) están además unidas por remaches.
-
- 5.
- Carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la parte frontal
(11) está hecha de metal. -
- 6.
- Carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la parte frontal (11) comprende una metalización externa.
-
- 7.
- Carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que la parte frontal (11) comprende nanotubos.
-
- 8.
- Carenado (10) de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la parte frontal (11) está hecha de acero inoxidable, de un grosor de aproximadamente 0,4 mm.
-
- 9.
- Carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la parte trasera
(12) está hecha de material de composite. -
- 10.
- Carenado (10) de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la parte trasera (12) está hecha de CFRP (Polímero Reforzado con Fibra de Carbono).
-
- 11.
- Carenado (10) de acuerdo con la reivindicación 9, en el que la parte trasera (12) está hecha de GFRP (Polímero Reforzado con Fibra de Vidrio).
-
- 12.
- Avión que comprende un estabilizador horizontal (3) con un carenado (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11.
-
- 13.
- Avión de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la distancia entre el ala (1) y la cola (7) es menor que 20 metros.
OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 201031879ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 17.12.2010Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICA51 Int. Cl : B64C5/02 (2006.01) B64C7/00 (2006.01)DOCUMENTOS RELEVANTES- Categoría
- 56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
- X
- WO 2008052510 A1 (EADS DEUTSCHLAND) 08.05.2008, 1,5-7,12
- página 2, línea 20 – página 3, línea 8; resumen.
- X
- US 4990205 A (BARBIER et al.) 05.02.1991, 1,3,5-6,9-10
- columna 9, línea 48 – columna 10, línea 28; figuras 1-2.
- X
- US 6341747 B1 (SCHMIDT et al.) 29.01.2002, 1,7
- columna 4, línea 40 – columna 5, línea 37; figuras 1A-2.
- Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
- Fecha de realización del informe 26.04.2013
- Examinador L. J. Dueñas Campo Página 1/4
INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 201031879Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B64C Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados) EPODOCInforme sobre el estado de la técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 201031879Fecha de realización de la opinión escrita: 26.04.2013- Declaración
- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-13 SÍ NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 2, 4, 8, 11, 13 1, 3, 5-7, 9-10, 12 SÍ NO
Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (artículo 31.2 de la ley 11/1986).Base de la opinión.La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.Informe sobre el estado de la técnica Página 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2010318791. Documentos considerados.A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.- Documento
- Número de publicación o identificación Fecha de publicación
- D01
- WO 2008052510 A1 (EADS DEUTSCHLAND) 08.05.2008
- D02
- US 4990205 A (BARBIER et al.) 05.02.1991
- D03
- US 6341747 B1 (SCHMIDT et al.) 29.01.2002
- 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del reglamento de ejecución de la ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraciónLa solicitud de invención presentada contiene una reivindicación principal o independiente de aparato y diez reivindicaciones más dependientes de la anterior, más una reivindicación independiente del elemento final que lleva dicho aparato, y una reivindicación más dependiente de ésta. Dicha invención define como objeto técnico de la misma, según se expresa en las primeras líneas de la reivindicación principal, un carenado; dicho objeto técnico se centra funcionalmente o como aplicación, según se continúa en el preámbulo de la misma, en el campo de las aeronaves. Igualmente, y como establece el solicitante en el preámbulo de dicha reivindicación principal, la invención incluye como parte del estado de la técnica de dicho campo tecnológico el ser susceptible de aplicarse al estabilizador horizontal de una aeronave. La parte esencial de la invención que destaca el solicitante como novedosa frente al estado de la técnica de cara a resolver el problema técnico planteado y, por tanto, las características técnicas substanciales del aparato que de manera necesaria o suficiente afrontan dicho problema técnico, establecidas según el solicitante en la parte caracterizadora de la reivindicación independiente, comprende el que dicho carenado presenta una parte frontal que recibe los gases calientes de los motores de la aeronave y que está hecha de un material anticorrosión, más una segunda parte trasera que resiste la carga aerodinámica.El documento D01 se considera el estado de la técnica más próximo. Este documento de solicitud internacional tipo PCT, que forma parte del mismo sector técnico, presenta una protección para estructuras aeroespaciales, como los estabilizadores horizontales entre otros, que comprende un refuerzo mediante un material basado en nanopartículas. El documento D01 es, por tanto, relevante en lo que concierne a esta reivindicación 1.El documento D02 está también bastante relacionado con la solicitud de invención presentada y también forma parte del mismo sector tecnológico. Se trata de un documento estadounidense y muestra la estructura de una pala del rotor de un helicóptero, fabricado fundamentalmente en material compuesto de una sola pieza. Presenta también en el borde de ataque un recubrimiento de titanio para proteger dicha pala de la erosión. El documento D02 es, también, relevante en lo que concierne a dicha reivindicación 1.El documento D03 está también bastante relacionado con la solicitud de invención presentada y también forma parte del mismo sector tecnológico. Se trata de un documento estadounidense y muestra un refuerzo contra la corrosión para el perfil aerodinámico de una pala del rotor de un helicóptero o de una turbina. Se basa en una capa de material nano-composite aplicado en el borde de ataque. El documento D03 es, también, relevante en lo que concierne a dicha reivindicación 1.Por otra parte, las reivindicaciones dependientes 3, 5-7, 9-10, 12 podrían encontrarse descritas en alguno de los documentos citados, al menos en sus características técnicas esenciales. Igualmente, y no tomando en consideración aquellas características técnicas estimadas como ampliamente conocidas en el estado de la técnica o que pueden ser meras yuxtaposiciones de otras características de diseño propias del desarrollo o trabajo técnico normal y no inventivo de un experto en la materia, las reivindicaciones dependientes 2, 4, 8, 11, 13 pueden presentar un reducido contenido de salto inventivo que fuera susceptible de ampliar o complementar el correspondiente de la reivindicación principal.Informe sobre el estado de la técnica Página 4/4
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