ES2758083T3 - Aeronave que incorpora un sistema de recuperación de empuje utilizando aire de la cabina - Google Patents

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Abstract

Una aeronave que incorpora un sistema de recuperación de aire de la cabina, comprendiendo la aeronave (1): una cabina (2) presurizable, motores (3) turboventiladores principales, teniendo cada motor (3) turboventilador aspas (5) del ventilador, una turbina (6) de gas acoplada con las aspas (5) del ventilador y un conducto (7) de derivación que baipasea la turbina (6) de gas, caracterizada porque la cabina (2) está en comunicación de fluido con el conducto (7) de derivación corriente abajo de las aspas (5) del ventilador, de modo que, durante la operación el aire de salida de la cabina puede descargarse en el conducto (7) de derivación corriente de las aspas (5)) del ventilador.

Description

DESCRIPCIÓN
Aeronave que incorpora un sistema de recuperación de empuje utilizando aire de la cabina
Objeto de la invención
La presente invención se refiere en general a sistemas de aire de aeronaves, como los sistemas de aire de purga y de acondicionamiento de aire.
Un objeto de la invención es mejorar la eficacia de un sistema de purga de aeronaves, mediante la re-utilización del exceso de aire de la cabina para aumentar el empuje y la eficacia del motor.
Otro objeto de la invención, es reducir el consumo de combustible causado por la extracción del aire de enfriamiento del conducto del ventilador del motor.
Antecedentes de la invención
La mayoría de las aeronaves civiles actuales incorporan un sistema de purga que toma aire a presión desde una de las fases del compresor del motor, para utilizarse como una fuente de aire a presión para fines de presurización de la cabina y acondicionamiento de temperatura.
Este aire de presurización del motor se enfría antes de distribuirse a lo largo de la aeronave usando aire frío del ventilador del motor. Sin embargo, la extracción de aire frío procedente del conducto del ventilador del motor disminuye la eficacia del motor y el consumo de aumento de combustible.
Una porción importante del aire suministrado a la cabina para la presurización y acondicionamiento de la temperatura tiene que ser aire fresco, lo que significa que parte del aire es descargado por la borda sin recuperación de energía real.
En algunas aeronaves existentes, este aire se descarga a través de una boquilla de salida de flujo tratando de recuperar algo de empuje, pero la eficacia de esta técnica ha demostrado ser muy baja.
Por otro lado, un turboventilador es un tipo de motor de reacción comúnmente utilizado para la propulsión de aeronaves. En contraste con un turborreactor en el que todo el aire de admisión pasa a través de la turbina de gas, un turboventilador es una combinación de una turbina y un ventilador entubado, en el que un poco de aire baipasea la turbina de gas. La relación de la cantidad de aire que baipasea la turbina, en comparación con la cantidad de aire que pasa a través de la turbina, se define comúnmente como relación de derivación. La orientación general proporcionada por un turboventilador es la suma de los dos flujos.
Se conoce inyectar un flujo de salida de aire de la cabina en alguna parte corriente arriba del ventilador del motor o en el compresor de baja presión. Sin embargo, la re-inyección del flujo de salida de aire de la cabina en la entrada del motor, en la que la presión de aire del ventilador en ese momento es más baja que la del aire de la cabina, no es una solución muy eficaz debido a que el flujo de salida de aire de la cabina tiene que comprimirse de nuevo en el ventilador, lo que aumenta el consumo de potencia del motor, de manera que, por esa razón esta solución nunca ha sido realmente puesta en práctica.
Los documentos EP 2 998 225 A1, US 4.419.926, US 5.137.230 y EP 3 085 623 A1 desvelan sistemas de recuperación de energía de la técnica anterior.
Sumario de la invención
La presente invención se define en la reivindicación independiente adjunta, y se basa en la re-utilización del exceso de aire de la cabina que tradicionalmente se descarga a la atmósfera sin recuperación de energía eficaz, para ser inyectado en el conducto de derivación de un motor turboventilador principal de una aeronave y corriente abajo de las aspas del ventilador. De esta manera, el exceso de aire de la cabina se vuelve a utilizar para aumentar el empuje y la eficacia del turboventilador.
La generación actual de aero-motores se basa en turboventiladores con una relación de presión muy baja y una alta relación de derivación, y la tendencia es seguir reduciendo la relación de presión del ventilador de los futuros motores. Esto implica una presión estática de aire del ventilador inferior a la presión del flujo de salida de aire de la cabina.
Por lo tanto, hoy en día la presión en el conducto de derivación corriente abajo de las aspas del ventilador son tan bajas, que el exceso de aire de la cabina se puede inyectar directamente en el conducto de derivación, para aumentar el empuje del motor sin ninguna penalización en el consumo de energía, lo que se traduce directamente en la optimización de la eficacia de la aeronave y del motor.
Un aspecto de la invención se refiere a una aeronave que incorpora un sistema de recuperación de aire de la cabina, en el que la aeronave comprende convencionalmente una cabina presurizable, motores (o reactor ventilador) turboventiladores principales, en la que cada motor turboventilador tiene una turbina de gas junto con las aspas del ventilador y un conducto de derivación que baipasea la turbina de gas. De acuerdo con la invención, la cabina está en comunicación de fluido con el conducto de derivación corriente abajo de las aspas del ventilador, de modo que, durante la operación de la aeronave, el aire del flujo de salida de la cabina se descarga en el conducto de derivación corriente de las aspas del ventilador.
El flujo de aire del aire de la cabina que se inyecta corriente abajo del ventilador del motor, aumenta la velocidad de una porción del empuje de aire del ventilador, lo que aumenta el rendimiento del motor, es decir, la reducción del consumo de combustible para el mismo empuje en condiciones operativas equivalentes.
Teniendo en cuenta que las inestabilidades aerodinámicas, tales como turbulencia o separación de capa límite, son la razón principal de las pérdidas de presión y energía en el ventilador de conducto de derivación, además, de acuerdo con la invención, se inyecta el aire de salida de la cabina en ubicaciones seleccionados del conducto de derivación corriente abajo de las aspas del ventilador, para controlar ventajosamente estas pérdidas aerodinámicas y mejorar la eficacia del flujo secundario por medio del incremento de energía en la capa límite.
Las principales ventajas de la invención se pueden resumir como sigue:
- reducción del consumo de combustible;
- aumento de empuje del turboventilador;
- optimización de la eficacia del turboventilador;
- reducción de las pérdidas de presión y energía del turboventilador debido a inestabilidades aerodinámicas. Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones preferentes de la invención se describen de aquí en adelante con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1.- Es una vista en perspectiva de una aeronave que incorpora un sistema de recuperación de aire de la cabina de acuerdo con la invención.
La Figura 2.- Muestra una vista en sección transversal de un turboventilador convencional, en la que, las diferentes ubicaciones (A, B, C) de acuerdo con la invención se muestran esquemáticamente para la inyección del aire reutilizado de la cabina en el conducto de derivación.
La Figura 3.- Muestra una vista en perspectiva de una góndola parcialmente en corte para mostrar la ubicación de los tubos finos de descarga.
La Figura 4.- Muestra una vista en perspectiva de una góndola que muestra bifurcaciones superiores e inferiores. La Figura 5.- Muestra una representación similar a la de la Figura 1, que muestra la ubicación del intercambiador de calor.
Realización preferente de la invención
La Figura 1 muestra una aeronave (1) comercial de doble motor que comprende una cabina (2) presurizable y dos motores (3) turboventiladores principales. La invención se implementa mediante al menos un conducto (4) que conecta la cabina (2) con los dos motores (3) turboventiladores principales, de modo que el aire de salida de la cabina se puede descargar en el conducto de derivación corriente abajo de las aspas del ventilador.
Un motor (3) turboventilador se muestra en la Figura 2 en más detalle, incluyendo convencionalmente las aspas (5) del ventilador, junto con una turbina (6) de gas, y un conducto (7) de derivación que baipasea la turbina (6) de gas, en el que el conducto (7) de derivación se define por una estructura (10) de góndola. Las palas (8) de guía de salida del ventilador se disponen en el conducto (7) de derivación corriente abajo de las aspas (5) del ventilador. Bifurcaciones (14a, 14b) superior e inferior. La turbina (6) de gas tiene una carcasa (11) que aloja los compresores, la cámara de combustión y el eje de la turbina (6), y el cono (13) de escape.
El conducto (4) se conecta con unas válvulas de salida del sistema de control de presión de la cabina (no mostradas), pasa a través de la barquilla o pilón (12) del motor, y se conecta con el conducto (7) de derivación, de modo que el flujo de salida del aire de la cabina se puede descargar en el flujo de aire del ventilador corriente abajo de las aspas (5) del ventilador del motor.
El conducto (4) está equipado con una válvula anti-retorno (no mostrada) para evitar el flujo inverso, en caso de que la presión del aire del ventilador sea mayor que la presión del aire de la cabina.
Como se muestra en la figura 2, diferentes ubicaciones se prefieren de acuerdo con la invención para descargar el aire de la cabina en el conducto (7) de derivación:
Opción A: el aire de la cabina se descarga a los bordes de salida de las palas (8) de guía de salida del ventilador.
Uno de los efectos y ventajas de esta ubicación de descarga, es que la separación del flujo y la turbulencia en el borde de salida se reduce, lo que a su vez reduce la resistencia aerodinámica de las palas y reduce la turbulencia del flujo corriente abajo en el conducto de derivación.
Opción B: el aire de la cabina se descarga corriente abajo de las palas (8) de guía de salida del ventilador, desde la superficie (9) exterior del conducto de derivación de la estructura (10) de góndola. Uno de los efectos y ventajas de esta ubicación de descarga, es que el impulso de la capa límite aumenta, lo que a su vez evita la separación y, por tanto, reduce la resistencia aerodinámica y las pérdidas de presión.
Preferiblemente para la Opción B, los puntos de descarga están al ras con la superficie (9) interior de la góndola para el control de la capa límite (opción B.1), o como alternativa (opción B.2) como se muestra en la Figura 3, el aire de la cabina se descarga a través de tubos (15) finos previstos en la superficie (9) del ventilador exterior, y que terminan en una forma de boquilla divergente para acelerar aún más el aire con un ángulo adecuado hacia la dirección de descarga del flujo del ventilador para beneficiarse del efecto de empuje de la capa de cizallamiento. Opción C: el aire de la cabina se descarga en las bifurcaciones (14a, 14b) superior e inferior como se muestra en las Figuras 2 y 6. Uno de los efectos y ventajas de esta ubicación de descarga, es que la separación de flujo y la turbulencia en la superficie interna de la góndola (9), reduce la bifurcación superior e inferior lo que reduce la resistencia aerodinámica de la estructura y reduce la turbulencia del flujo corriente abajo en el conducto (7) de derivación.
Además, corriente arriba de las ubicaciones (A, B, C) de descarga en la góndola (10), el flujo de aire de la cabina se hace pasar a través de un intercambiador (16) de calor como se muestra en las Figuras 3 y 4, que en una aplicación podría ser el pre-enfriador utilizado por el sistema de aire de purga, o como alternativa cualquier otro intercambiador de calor para enfriar cualquier otro sistema. El objetivo en cualquiera de los casos es recuperar la energía térmica a través de dos efectos:
- Efecto de sumidero de calor para enfriar el aire purgado o el aceite del motor o cualquier otro sistema evitando así el uso de cualquier otro recurso como flujo de aire del ventilador como disipador de calor;
- Puesto que el flujo de aire de escape de la cabina se calienta, su densidad disminuirá ganando por tanto velocidad del aire en las ubicaciones de descarga en el conducto (7) de derivación, lo que aumenta la recuperación del empuje.
Otras realizaciones preferentes de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes adjuntas y en las múltiples combinaciones de esas reivindicaciones.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Una aeronave que incorpora un sistema de recuperación de aire de la cabina, comprendiendo la aeronave (1): una cabina (2) presurizable, motores (3) turboventiladores principales, teniendo cada motor (3) turboventilador aspas (5) del ventilador, una turbina (6) de gas acoplada con las aspas (5) del ventilador y un conducto (7) de derivación que baipasea la turbina (6) de gas, caracterizada porque la cabina (2) está en comunicación de fluido con el conducto (7) de derivación corriente abajo de las aspas (5) del ventilador, de modo que, durante la operación el aire de salida de la cabina puede descargarse en el conducto (7) de derivación corriente de las aspas (5)) del ventilador.
2. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende además al menos un conducto (4) que se extiende a través del pilón de la aeronave y conecta la cabina (2) con el conducto (7) de derivación.
3. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además palas (8) de guía de salida del ventilador en el conducto de derivación corriente abajo de las aspas (5) del ventilador, y en la que el conducto (4) está comunicado con el conducto de derivación en los bordes de salida de las palas (8) de guía de salida del ventilador.
4. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el conducto (4) está comunicado corriente abajo de las palas (8) de guía de salida del ventilador, en la superficie (9) interior del conducto de derivación de una estructura (10) de góndola.
5. Aeronave de acuerdo con la reivindicación 2, en la que el conducto (4) está comunicado con bifurcaciones (14a, 14b) superior e inferior del conducto (7) de derivación.
6. Aeronave de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los puntos de descarga del conducto (4) están a ras con la superficie (9) interior de la góndola.
7. Aeronave de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el aire de la cabina se descarga a través de tubos finos que terminan en una forma de boquilla divergente.
8. Aeronave de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un intercambiador de calor y en la que el flujo de aire de la cabina se hace pasar a través de un intercambiador de calor.
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