ES2644782T3 - Motor híbrido de aeronave - Google Patents

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ES2644782T3 ES14382349.0T ES14382349T ES2644782T3 ES 2644782 T3 ES2644782 T3 ES 2644782T3 ES 14382349 T ES14382349 T ES 14382349T ES 2644782 T3 ES2644782 T3 ES 2644782T3
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Description

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DESCRIPCION
Motor hfbrido de aeronave Campo de la invencion
Esta invencion se refiere a motores de propulsion y mas particularmente a motores hfbridos para aeronaves comerciales.
Antecedentes de la invencion
La eficiencia del combustible y un mayor uso de la energfa electrica son tendencias actuales en la industria aeronautica para el diseno de aeronaves comerciales, militares y de servicios, incluyendo aeronaves sin piloto.
La eficiencia de combustible de los motores turborreactores de doble flujo convencionales ha mejorado significativamente a traves del aumento de la relacion de derivacion, llevando a motores de un diametro muy grande lo que complica su integracion en la aeronave. La potencia maxima de los motores turborreactores de doble flujo convencionales esta determinada generalmente por los requerimientos del despegue o el final del ascenso y por ello el nucleo del motor esta sobredimensionado para el crucero.
El rapido desarrollo de motores electricos y baterfas mas eficientes y capaces ha generado mucha investigacion sobre la aplicacion de la propulsion electrica a vehfculos aeroespaciales.
Dada la gran variacion de los requerimientos de potencia en las diferentes fases de vuelo, se han hecho varias propuestas para usar una combinacion de maquinas termicas y electricas para el despegue y el ascenso y de un vuelo puramente electrico en la fase de crucero que requiere sustancialmente menos potencia. La disposicion mas comun de los sistemas de propulsion hfbridos es usar la energfa termica para accionar un generador electrico para suplementar la potencia electrica suministrada por las baterfas a los motores electricos que accionan fanes o helices.
US 8,324,746 describe un motor hfbrido que comprende un motor a reaccion dispuesto para la transmision de par a un rotor (ya sea un fan o una helice) por medio de un eje, un generador electrico dispuesto para ser accionado por dicho eje y un motor electrico dispuesto para ser accionado por la salida de dicho generador para la aplicacion selectiva de un par motor al rotor y un embrague dispuesto en la trayectoria entre el eje y el rotor selectivamente operable para desconectar mecanicamente el eje de la transmision del par motor al rotor de tal manera que el rotor puede ser accionado por la turbina, por el motor electrico o por cualquier combinacion de ambos.
US 8,596,036 describe un motor de propulsion hfbrido que comprende un motor a reaccion y un dispositivo para la extraccion de energfa al menos parcialmente en forma de energfa electrica del motor a reaccion y la conversion en un motor electrico de al menos una parte de la energfa electrica en un par motor para accionar el rotor.
Una desventaja de estos motores hfbridos es que requieren un generador especffico y de gran potencia en el motor a reaccion para accionar el motor electrico. Otra caracterfstica indeseable es que los motores electricos deben ser capaces de proporcionar todo el empuje incluso para los regfmenes de vuelo que requieren la maxima potencia lo que supone que estan sobredimensionados para el regimen de crucero.
US2006/0185346 describe un ensamblaje de un turborreactor de doble flujo del estado de la tecnica previo en el que una turbina de gas mueve un primer fan directamente y un segundo fan mediante un sistema de engranajes.
Sumario de la invencion
La invencion proporciona un motor de propulsion segun la reivindicacion 1 que comprende al menos una primera unidad de propulsion que incluye un primer fan encastrado en un anillo dentado y una turbina de gas que acciona un
primer eje conectado al primer ventilador, al menos una segunda unidad de propulsion que incluye un segundo fan encastrado en un anillo dentado conectado a un segundo eje acoplado operativamente a una maquina electrica y al menos un dispositivo de almacenamiento electrico conectado a la maquina electrica. Dichos anillos dentados estan configurados para transmitir un par motor entre los ventiladores de manera que puedan girar conjuntamente cuando 5 son accionados por al menos uno de dichos primer y segundo ejes. La maquina electrica de la segunda unidad de propulsion esta dispuesta para actuar en combinacion con el dispositivo de almacenamiento electrico bien como un motor electrico extrayendo energfa del dispositivo de almacenamiento electrico para accionar el segundo eje o bien como un generador electrico extrayendo energfa mecanica del segundo eje cuando es accionado por el segundo fan para cargar el dispositivo de almacenamiento electrico. El motor de propulsion tambien comprende medios de control 10 conectados a la turbina de gas, a la maquina electrica y al dispositivo de almacenamiento electrico para controlar el par motor a ser suministrado al conjunto del primer y el segundo ventilador por el motor de combustion y/o por la maquina electrica actuando como un motor y para controlar la carga del dispositivo de almacenamiento electrico por la maquina electrica actuando como un generador electrico.
En un modo de realizacion, el motor de propulsion tambien comprende un engranaje intermedio entre el primer y el 15 segundo ventilador para transmitir el par motor entre ellos, estando conectado dicho engranaje intermedio a un actuador lineal para acoplar/desacoplar la conexion mecanica entre el primer y el segundo ventilador. El desacoplamiento puede ser necesario, por ejemplo, cuando ocurre un fallo mecanico en uno de los mencionados fanes.
En un modo de realizacion, el motor de propulsion tambien comprende al menos una tercera unidad de propulsion 20 que incluye un tercer fan encastrado en un anillo dentado y dispuesto para girar conjuntamente con el primer y el segundo ventilador de la primera y la segunda unidad de propulsion.
El motor de propulsion de la invencion esta particularmente orientado a aeronaves pero tambien puede ser usado por otros vehfculos.
Otras caracterfsticas y ventajas de la presente invencion se desprenderan de la descripcion detallada que sigue de 25 realizaciones ilustrativas de su objeto en relacion con las figuras que se acompanan.
Breve descripcion de las figuras
Las Figuras 1a y 1b son, respectivamente, vistas esquematicas en planta y alzado frontal que ilustran una realizacion del motor hfbrido de la invencion con dos unidades de propulsion. La Figura 1c es una vista en planta ilustrando una realizacion que incluye engranajes intermedios para acoplar/desacoplar las dos unidades propulsoras.
30 Las Figuras 2a y 2b son, respectivamente, vistas esquematicas en planta y alzado frontal que ilustran una segunda realizacion del motor hfbrido de la invencion con tres unidades propulsoras.
Descripcion detallada de la invencion
En la realizacion mostrada en las Figuras 1a y 1b, el motor de propulsion 10 es un motor multifan alojado en una gondola 20 que comprende:
35 - Una primera unidad de propulsion 11 en el lado derecho que tiene un primer fan 13 encastrado en un
anillo dentado 19 y un motor de combustion 15 alojado en una primera carcasa 12 que incluye al menos un compresor, una camara de combustion y una turbina que acciona un primer eje 17 conectado al primer fan 13.
- Una segunda unidad de propulsion 21 en el lado izquierdo que tiene un segundo fan 23 encastrado en un anillo dentado 29 conectado a un segundo eje 27. El segundo eje 27 esta acoplado a una maquina electrica 25 40 alojada en una segunda carcasa 22 y conectado a un dispositivo de almacenamiento electrico 41, tal como una baterfa, situada externamente a la segunda carcasa 22.
- Medios de control para controlar el funcionamiento del motor de propulsion 10.
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Como el primer y el segundo fanes 13, 23 de la primera y la segunda unidad de propulsion 11, 21 estan acoplados mecanicamente a traves de los anillos dentados 19, 29 los dos ventiladores 13, 23 proporcionan empuje cuando el motor de combustion 15 o la maquina electrica 25 o ambos suministran potencia. No se requiere ninguna conexion electrica directa entre el motor de combustion 15 y la maquina electrica 25 y no se requiere un generador especffico en el motor de combustion 15. La maquina electrica 25 puede actuar de una forma reversible como un motor para accionar el segundo eje 27 o como un generador para cargar el dispositivo de almacenamiento electrico 41 accionado por la potencia del motor de combustion 15 o por la rotacion libre de los fanes debida a fuerzas aerodinamicas en las fases de vuelo de descenso.
El dispositivo de almacenamiento electrico 41 tambien puede estar conectado al sistema de potencia electrica de la aeronave si se preve que la produccion de energfa electrica en la segunda unidad de propulsion 21 puede ser mayor que el consumo. Como es bien sabido hay una mayor demanda de energfa electrica en las aeronaves como consecuencia de sustituciones de equipos convencionales que dependen de la energfa neumatica, mecanica e hidraulica por equipos que dependen de energfa electrica y proporcionan un mejor rendimiento del sistema debido al aumento de la fiabilidad y la eficiencia energetica y a un menor mantenimiento.
Los medios de control estan dispuestos para el funcionamiento del motor de propulsion 10 en uno de los siguientes modos de funcionamiento.
En un primer modo de funcionamiento el motor de propulsion 10 es accionado por el motor de combustion 15 y la maquina electrica 25. El ensamblaje del primer y el segundo fanes 13, 23 es accionado por el par motor proporcionado por el primer eje 17 y el segundo eje 27 para producir empuje. La maquina electrica 25 actua como un motor electrico alimentado por el dispositivo de almacenamiento electrico 41 para accionar el segundo eje 27. Este modo de operacion se utiliza en todas las condiciones de vuelo que requieren un gran empuje.
En un segundo modo de funcionamiento, el motor de propulsion 10 es accionado por, unicamente, el motor de combustion 15. El ensamblaje del primer y el segundo fanes 13, 23 es accionado por el par motor proporcionado por el primer eje 17 para producir empuje. Por otro lado, la energfa mecanica del segundo eje 27, accionado por el segundo fan 23, es convertida en energfa electrica por la maquina electrica 25, que actua como un generador electrico, y se almacena en el dispositivo de almacenamiento electrico 41. Este modo de operacion se utiliza cuando el dispositivo de almacenamiento electrico 41 necesita ser cargado y las condiciones de vuelo no requieren un empuje adicional proporcionado por la maquina electrica 25 actuando como un motor.
En un tercer modo de funcionamiento, el motor de propulsion 10 es accionado por, unicamente, la maquina electrica 25. El ensamblaje del primer y el segundo fanes 13, 23 es accionado por el par motor proporcionado por el segundo eje 27 para producir empuje. La maquina electrica 25 actua como un motor electrico alimentado por el dispositivo de almacenamiento electrico 41 para accionar el segundo eje 27. Este modo de operacion, que es un modo mas silencioso, se utiliza en aquellas condiciones de vuelo que no requieren el empuje proporcionado por el motor de combustion 15 -por ejemplo en condiciones de crucero y de aproximacion final- y cuando el dispositivo de almacenamiento electrico 41 tiene un nivel adecuado de carga.
En un cuarto modo de funcionamiento el motor de combustion 15 y la maquina electrica 25 estan apagados, es decir, que no suministran potencia a sus respectivos fanes 13, 23. El ensamblaje del primer y segundo ventilador 13, 23 es accionado por, unicamente, el aire incidente y la energfa mecanica del segundo eje 27 accionado por el segundo fan 23 es convertida en energfa electrica por la maquina electrica 25, actuando como un generador electrico, y se almacena en el dispositivo de almacenamiento electrico 41. Este modo de operacion se utiliza para cargar el dispositivo de almacenamiento electrico 41 en condiciones de vuelo que no requieren el motor de propulsion 10. En este modo de funcionamiento el motor de propulsion 10 puede ser utilizado por tanto como una fuente de energfa para realizar la funcion de una turbina de aire de impacto (Ram Air Turbine).
El modo de realizacion mostrado en la Figura 1c incorpora un engranaje intermedio 51 para conectar el primer y el segundo fanes 13, 23 encastrados en los anillos dentados 19, 29. El engranaje intermedio 51 puede ser retrafdo por medio un actuador lineal 53 de manera que la transmision de potencia entre el primer y segundo ventilador 13, 23 pueda ser desacoplada en casos de, por ejemplo, una ruptura de alabes, un fallo mecanico o cualquier otra causa.
El primer y el segundo fanes 13, 23 del motor de propulsion 10 pueden tener el mismo tamano como se representa en las Figuras 1a y 1b o un tamano diferente para satisfacer necesidades particulares.
En el modo de realizacion mostrado en las Figuras 2a y 2b el motor de propulsion 10 tambien incluye una tercera unidad de propulsion 31 que comprende un tercer fan 33 encastrado en un anillo dentado 39 dispuesto para girar solidariamente con el primer y el segundo fanes 13, 23 de la primera y la segunda unidad de propulsion 11, 21. Engranajes intermedios entre el primer y el segundo ventilador 13, 23 y entre el primer y el tercer ventilador 13, 33 5 pueden ser incorporados a la unidad de propulsion para permitir su acoplamiento y su desacoplamiento. Los medios de control estan dispuestos para operar en los mismos modos de operacion antes mencionados.
Aunque se ha descrito la presente invencion en conexion con varias realizaciones, puede apreciarse a partir de la descripcion que pueden hacerse varias combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ellas y que estan dentro del alcance de la invencion tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
10

Claims (7)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    REIVINDICACIONES
    1. Un motor de propulsion (10) que comprende:
    - al menos una primera unidad de propulsion (11) que incluye un primer fan (13) y un motor de combustion (15) que acciona un primer eje (17) conectado al primer fan (13);
    - al menos una segunda unidad de propulsion (21) que incluye un segundo fan (23) conectado a un segundo eje (27) acoplado operativamente a una maquina electrica (25);
    - al menos un dispositivo de almacenamiento electrico (41) conectado a la maquina electrica (25); caracterizado por que:
    - el primer y el segundo fanes (13, 23) de la primera y la segunda unidad de propulsion (11, 21) estan encastrados en anillos dentados (19, 29) configurados para transmitir un par motor y estan dispuestos para girar conjuntamente cuando son accionados por al menos uno de dichos primer y segundo ejes (17, 27);
    - la maquina electrica (25) de la segunda unidad de propulsion (21) esta dispuesta para actuar en combinacion con el dispositivo de almacenamiento electrico (41) bien como un motor electrico extrayendo energfa del dispositivo de almacenamiento electrico (41) para accionar el segundo eje (27) o bien como un generador electrico extrayendo energfa mecanica del segundo eje (27) cuando es accionado por el segundo ventilador (23) para cargar el dispositivo de almacenamiento electrico (41);
    - el motor de propulsion (10) tambien comprende medios de control conectados al motor de combustion (15), a la maquina electrica (25) y al dispositivo de almacenamiento electrico (41) para controlar el par motor a ser suministrado al conjunto del primer y el segundo ventilador (13, 23) por el motor de combustion (15) y/o por la maquina electrica (25) actuando como un motor y para controlar la carga del dispositivo de almacenamiento electrico (41) por la maquina electrica (25) actuando como un generador electrico.
  2. 2. Un motor de propulsion (10) segun la reivindicacion 1, que tambien comprende un engranaje intermedio (51) entre el primer y el segundo fanes (13, 23) para transmitir el par motor entre ellos, estando conectado dicho engranaje intermedio (51) a un actuador lineal (53) para acoplar/desacoplar la conexion mecanica entre el primer y el segundo ventilador (13, 23).
  3. 3. Un motor de propulsion (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1-2, que tambien comprende al menos una tercera unidad de propulsion (31) que incluye un tercer fan (33) encastrado en un anillo dentado (39) dispuesto para girar conjuntamente con el primer y el segundo fanes (13, 23) de la primera y la segunda unidad de propulsion (11, 21).
  4. 4. Un motor de propulsion (10) segun la reivindicacion 3, que tambien comprende un engranaje intermedio (51) entre el tercer fan (33) y el primer o el segundo fanes (13, 23) para transmitir el par motor entre ellos, estando conectado dicho engranaje intermedio (51) a un actuador lineal (53) para acoplar/desacoplar la conexion entre el tercer ventilador (33) y el primer o el segundo ventilador (13, 23).
  5. 5. Un motor de propulsion (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 3-4, en el que dicho tercer fan (33) esta dispuesto a un lado del primer fan (13).
  6. 6. Un motor de propulsion (10) segun la reivindicacion 3, en el que dichos primer, segundo y tercer fanes (13, 23, 33) tienen el mismo diametro.
  7. 7. Aeronave con al menos un motor de propulsion (10) segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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