ES2808979T3 - Motor piezoeléctrico para mitigación de rotor inclinado - Google Patents

Motor piezoeléctrico para mitigación de rotor inclinado Download PDF

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Abstract

Conjunto de motor de avión, que comprende: un motor de turbina de gas (138, 900) que incluye un eje de rotor (122, 200, 902); estando caracterizado el conjunto de motor de avión por el hecho de que comprende, además un motor piezoeléctrico (400, 500, 600) acoplado a por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904), en el que el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) hace girar el eje de rotor (122, 200, 902) en respuesta a uno o más campos eléctricos.

Description

DESCRIPCIÓN
Motor piezoeléctrico para mitigación de rotor inclinado
ANTECEDENTES
1. Campo
La presente descripción se refiere a un sistema para hacer girar un rotor en un motor de turbina de gas.
2. Descripción de la técnica relacionada
La figura 1A ilustra un motor de avión que comprende un ventilador 100, un compresor de baja presión (LP) 102, una carcasa del ventilador 104, una carcasa del motor 106, un compresor de alta presión (HP) 108, una turbina de HP 110, una turbina de LP 112, y un eje de LP 114 que conecta el compresor de LP 102 y la turbina de LP 112. Después de la desconexión del motor en el suelo, el aire caliente residual 116 en el núcleo del motor aumenta 118 y queda atrapado por la carcasa del motor 106. A medida que el aire caliente sube 118, la parte superior 120 del eje de rotor 122 del compresor de HP (rotor del motor) 108 se calienta más que la parte inferior 124 del eje de rotor 122 y provoca un enfriamiento desigual y una deformación térmica del eje de rotor del motor 122 (es decir, una inclinación del rotor, en el que la parte superior 120 de eje de rotor 122 se hace más larga que la parte inferior 124). Al volver a conectar el motor (por ejemplo, antes de la ignición del combustible en la cámara de combustión 126), incluso pequeñas fracciones en la inclinación del eje de rotor pueden hacer que el compresor de HP (rotor del motor) 108 roce contra la carcasa del motor 106. La fricción provoca vibraciones (manifestadas como ruido desconcertante en la cabina del avión) o incluso daños en el avión (por ejemplo, daños en el motor, daños en el revestimiento de la carcasa del motor, daños en el pre-enfriador de aire utilizado por el sistema de control ambiental o daños en otros accesorios). También se ilustra el eje longitudinal 128 del eje de rotor 122, la transmisión 130 que conecta un multiplicador 132 al eje de rotor 122, y aire 134 que entra en el motor durante el funcionamiento. La figura 1B ilustra que, en un avión 136, el motor 138 queda alojado en una góndola 140. La góndola 140 también puede atrapar aire caliente ascendente 118 lo que produce un gradiente de temperatura T.
Un procedimiento para mitigar estos problemas es construir el motor con mayores holguras de construcción en frío (holguras "abiertas"), de modo que el eje de rotor del compresor 122 pueda inclinarse sin hacer que las palas rocen la carcasa del motor 106. Sin embargo, en diseños de motor más avanzados se prefiere menos "espacio" entre la carcasa del motor y los rotores del compresor ("espacios de construcción en frío" más estrictos) para reducir las fugas de aire y mejorar el consumo específico de combustible de empuje (TSFC). Por lo tanto, la necesidad primordial de reducir el consumo de combustible hace que sean menos deseables unos mayores espacios de construcción en frío. De hecho, a medida que se implementan espacios libres de construcción en frío cada vez más estrictos, los problemas causados por el roce del motor se vuelven más graves.
Posiblemente, una arquitectura de motor podría añadir rigidez del rotor o disposiciones de rodamientos para reducir la inclinación del eje de rotor lo cual es físicamente posible. Sin embargo, estos cambios en la arquitectura añadirían peso y costes de fabricación al motor.
Otros procedimientos para mitigar la inclinación del eje de rotor comprenden girar el eje (1) para que el eje se enfríe uniformemente, vuelva al equilibrio térmico, y se ponga recto, y/o (2) para que las fuerzas centrífugas pongan recto el arco. El giro del eje se logra (1) accionando el motor a relativamente pocas revoluciones por minuto (RPM) después de poner en marcha el motor (pero antes de accionar el motor a altas RPM) y/o (2) utilizando un motor de giro del motor (ETM) para hacer girar el eje de rotor cuando el motor esté apagado.
Sin embargo, los procedimientos convencionales para proporcionar energía al ETM o al motor para corregir la inclinación pueden resultar problemáticos. Algunos aviones más pequeños, tales como el avión Boeing 737, vuelan a aeropuertos remotos donde no hay energía disponible para alimentar el ETM o el motor. Además, la alimentación de la unidad de potencia auxiliar (APU) en el avión no siempre está disponible para alimentar el motor o el ETM ya que algunos aeropuertos limitan el uso de la APU en las puertas debido a problemas de emisiones y ruido, y los aviones no funcionan cuando son remolcados entre las puertas. Además, los aviones pueden funcionar con una APU no funcional o la alimentación del ETM o el motor puede causar un desgaste indeseable de la APU (un accionamiento prolongado aumenta la exposición de la APU al modo de arranque del motor principal (MES), reduciendo la vida útil de la APU). Finalmente, el uso de baterías de iones de litio y níquel-cadmio para alimentar el ETM es problemático debido al elevado índice de fallos y problemas de inflamabilidad asociados al entorno del motor (calor extremo, frío extremo, y altas vibraciones).
Además, girar el eje poco antes del despegue causa demoras en la salida, especialmente si las holguras reducidas del motor requieren girar el rotor a bajas velocidades. Estos retrasos no sólo incomodan a los pasajeros, sino que también aumentan los costes asociados al aumento de tiempos de espera y tarifas de estacionamiento.
EP3211184 describe un sistema de prevención de la inclinación del rotor para un motor de turbina de gas que incluye un motor de giro central (44) operable para accionar en rotación un núcleo de un motor de turbina de gas. El sistema de prevención de la inclinación del rotor también incluye un control de motor eléctrico auxiliar (46) operable para controlar el motor de giro central (44) para accionar en rotación el núcleo del motor utilizando energía eléctrica, mientras que un control de motor digital de total autoridad (102) que controla el funcionamiento del motor de turbina de gas está desconectado o bien en un estado de alimentación que es inferior al nivel de alimentación utilizado por el FADEC en una operación de vuelo. También se dispone un procedimiento correspondiente de prevención de la inclinación del rotor para un motor de turbina de gas. WO 2013/072291 describe las características técnicas del preámbulo de la reivindicación 1.
Lo que se necesita entonces es un procedimiento más eficiente para mitigar la inclinación del eje de rotor que simplifique la logística en tierra. La presente descripción satisface esta necesidad.
DESCRIPCIÓN
La presente descripción se refiere a un conjunto de motor de avión que comprende un eje de rotor y medios para hacer girar el eje de rotor utilizando un motor piezoeléctrico.
En una realización, el motor piezoeléctrico comprende uno o más estatores y uno o más elementos de rotor dispuestos alrededor de un eje, en el que los elementos de rotor están conectados o acoplados al eje. En una realización, el eje es el propio eje de rotor. En otra realización, el eje es un eje de accionamiento en una transmisión que acciona el eje de rotor. El uno o más elementos de rotor giran cuando uno o más estatores presionan contra uno o más elementos de rotor en respuesta a uno o más campos eléctricos aplicados por un circuito sobre uno o más estatores. La conexión o el acoplamiento entre los elementos de rotor y el eje permite que el giro de los elementos de rotor se transfiera al eje.
En una realización, el campo eléctrico genera una o más ondas viajeras en los estatores. La una o más ondas viajeras presionan contra uno o más elementos de rotor para hacer girar los elementos de rotor y el eje conectado a los elementos de rotor.
En todavía otra realización, cada uno del uno o más estatores comprende unos actuadores piezoeléctricos dispuestos en un aro concéntrico alrededor del eje. Los actuadores (por ejemplo, comprendiendo cada uno de ellos una garra) presionan secuencialmente contra una superficie de un elemento de rotor cuando se aplica secuencialmente uno o más campos eléctricos a cada uno de los actuadores, entregando así un par o potencia mecánica a la superficie del elemento de rotor.
En todavía otra realización, una pluralidad de estatores presiona contra diferentes posiciones radiales sobre una superficie de un elemento de rotor.
En todavía otra realización, el motor piezoeléctrico comprende una pluralidad de estatores y una pluralidad de elementos de rotor dispuestos alternativamente en una pila o en pares.
En todavía otra realización, en una superficie interna de un aro alrededor del eje se dispone una pluralidad de actuadores piezoeléctricos. El eje gira cuando los actuadores presionan secuencialmente contra una superficie externa del eje en respuesta a los campos eléctricos.
La presente descripción se refiere, además, a un procedimiento para hacer girar un eje de rotor en un motor de avión, que comprende accionar un eje del motor del avión utilizando un motor piezoeléctrico de modo que el giro reduzca o evite una inclinación térmica del eje de rotor en un gradiente de temperatura.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Haciendo referencia ahora a los dibujos en los cuales, similares números de referencia representan elementos correspondientes en los mismos:
La figura 1A ilustra un motor de turbina de gas.
La figura 1B ilustra el motor de turbina de gas montado en una góndola de un avión.
La figura 2 ilustra una instalación que comprende estatores piezoeléctricos que rodean un eje, y un elemento de rotor que rodea y está conectado al eje, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 3 ilustra una realización en la que el estator comprende unos actuadores.
La figura 4 ilustra una pluralidad de estatores y una pluralidad de elementos de rotor dispuestos alternativamente en una pila, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 5 ilustra una instalación en la que el motor piezoeléctrico aplica un par directamente a un motor o eje de accionamiento, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 6 ilustra una onda viajera en el estator que presiona el estator sobre el elemento del rotor, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 7A ilustra unos actuadores piezoeléctricos en una serie o pluralidad de aros concéntricos que se accionan secuencialmente, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 7B ilustra unos actuadores piezoeléctricos en una serie o pluralidad de aros concéntricos que se accionan en una secuencia alterna, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 8A representa una salida de par en función del diámetro del elemento del rotor, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 8B representa la velocidad del elemento del rotor en función del diámetro del elemento del rotor, de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 9 ilustra un conjunto de motor de avión que comprende un motor piezoeléctrico de acuerdo con una o más realizaciones.
La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para mitigar la inclinación del eje de rotor, de acuerdo con diversas realizaciones.
La figura 11 ilustra un entorno de hardware para hacer funcionar el motor piezoeléctrico, de acuerdo con una o más realizaciones.
DESCRIPCIÓN
En la siguiente descripción, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte de la misma, y que muestran, a modo de ilustración, varias realizaciones. Se entiende que pueden utilizarse otras realizaciones y pueden realizarse cambios estructurales sin apartarse del alcance de la presente descripción el cual viene definido por las reivindicaciones.
La presente descripción describe medios para montar un motor piezoeléctrico en un eje para accionar en rotación un eje de rotor en un motor de turbina de gas. El eje de rotor tiene un eje longitudinal y está alojado en una carcasa 106 y una góndola 140 que atrapa aire 116 después de la desconexión del motor, creando un gradiente de temperatura perpendicular al eje longitudinal. El giro reduce o evita una inclinación térmica del eje de rotor en el gradiente de temperatura.
En el eje de rotor y/o en un eje de accionamiento (por ejemplo, un eje de la torre o un eje de un multiplicador auxiliar) en una transmisión conectada al eje de rotor va montado un motor piezoeléctrico. La transmisión puede incluir un embrague que acople el eje de transmisión al eje de rotor.
A continuación, se describen varios ejemplos de los medios para hacer girar el rotor utilizando el motor piezoeléctrico.
Primer ejemplo de instalación
La figura 2 ilustra el montaje de un motor piezoeléctrico en un eje 200 de modo que el motor piezoeléctrico hace girar el eje 200 en respuesta a uno o más campos eléctricos aplicados. El motor piezoeléctrico comprende un elemento de rotor 202 y unos estatores 204. El montaje comprende acoplar un disco o anillo 206 al eje 200, o disponer el eje incluyendo el disco o el anillo 206, en el que el disco o anillo 206 comprende el elemento de rotor 202. El montaje comprende, además, colocar 208 dos conjuntos de estatores 204 en cada lado del elemento de rotor 202 de modo que el elemento de rotor 202 quede intercalado entre dos estatores 204 o mitades de estator, presentando cada elemento de rotor 202 una superficie exterior 210 frente a por lo menos un estator 204 en una dirección paralela al eje geométrico longitudinal del eje AA'.
Los estatores 204 son discos o anillos montados de manera que el eje 200 pasa por una parte central hueca 212 en los estatores 204 y los estatores 204 comprenden unos aros concéntricos 204a que aplican un par a ambos lados o superficies 210 del elemento de rotor 202.
La figura 2 ilustra, además, una carcasa 214 configurada para soportar estructuralmente los estatores 204. Los estatores 204 van acoplados a unas placas 216 y la carcasa 214 comprende un cilindro cuyas paredes soportan las placas 216. El elemento del rotor 202 y el eje 200 pueden girar libremente en este conjunto.
La figura 3 muestra un ejemplo en el que cada estator 300, 204 comprende unos actuadores o componentes piezoeléctricos 302 dispuestos en un aro concéntrico 304 alrededor del eje 200. Los aros 304 están dispuestos en un disco de estator. La figura 3 ilustra, además, un circuito 1114 conectado al uno o más estatores 204, en el que el eje 200 gira cuando uno o más estatores 204 presionan contra el uno o más elementos de rotor 202 en respuesta a uno o más campos eléctricos E aplicados por el circuito 1114 sobre uno o más estatores 204.
La figura 4 ilustra un motor piezoeléctrico 400 que comprende una pila 402 de estatores alternos 204 (que comprenden aros concéntricos) y unos elementos de rotor 202 (que comprenden discos). Los elementos de rotor 202 están conectados al eje 200. En una realización, la pila 402 aumenta la salida de par para hacer girar 404 el eje 200 alrededor del eje geométrico AA' del eje 200.
Segundo ejemplo de instalación
La figura 5 ilustra un motor piezoeléctrico 500 que comprende un estator 502, en el que el estator 502 comprende un aro o anillo 504 que incluye unos actuadores 506 que actúan directamente sobre una superficie externa 508 del eje 510. En esta realización, los actuadores piezoeléctricos 506 están posicionados y orientados en una superficie interna 512 del aro o anillo 504 para actuar hacia dentro hacia el centro o eje geométrico longitudinal AA' del eje 510. En esta realización, el eje 510 se convierte en el rotor de aplicación. La aplicación de campos eléctricos E a los actuadores 506 hace girar 514 el eje 510 alrededor del eje geométrico AA'.
Esta configuración elimina la necesidad de un elemento de rotor piezoeléctrico separado, disminuyendo el peso y el volumen espacial.
En una realización, el estator 502 va montado en la estructura del motor circundante, tal como en una ubicación de rodamiento, pero sin limitarse a ésta.
Accionamiento del motor piezoeléctrico
La figura 6 ilustra un motor piezoeléctrico 600 que comprende un estator 204 y un elemento de rotor 202. Uno o más campos eléctricos E aplicados al estator 204 generan una onda viajera 602 en la superficie del estator 204. La onda viajera 602, en la superficie flexible del estator, presiona contra el elemento de rotor 202, produciendo un movimiento elíptico 604 en la interfaz de contacto 210b con el elemento de rotor 202. El movimiento elíptico 604 de la interfaz de contacto 210b acciona el elemento de rotor 202 para hacer girar 606 el elemento de rotor 202 y el eje 200 conectado al elemento de rotor 202. El movimiento elíptico 604 está formado por el movimiento orbital de partículas (electrones) en el estator 204 inducido por los campos eléctricos E.
El posicionamiento y direccionamiento de actuadores individuales 506, 302 permite un control preciso de los componentes/actuadores piezoeléctricos.
La figura 7A ilustra los componentes/actuadores piezoeléctricos 302 en los aros concéntricos del estator 304 que se activan en una secuencia para crear las ondas viajeras/estacionarias 702 que presionan el elemento de rotor 202 al mismo tiempo y en la misma posición angular (pero en diferentes posiciones radiales R1, R2, R3). De esta manera, las ondas viajeras 702 en los estatores 204 quedan alineadas.
La figura 7B ilustra una realización en la cual se activan los componentes/actuadores piezoeléctricos 302 en los aros concéntricos 304 para crear una secuencia alterna de ondas viajeras/estacionarias 704 en los aros de estator 304 (es decir, las ondas viajeras 704 en diferentes posiciones radiales R1, R2, R3 en los aros 304 se encuentran en diferentes posiciones angulares).
Velocidad de rotación y duración
La figura 8A ilustra que, a medida que aumenta el diámetro del elemento de rotor 202 y el estator 204, aumenta el par. Esta relación es beneficiosa para transferir el par al eje de rotor 200. Además, tal como se ha descrito anteriormente, el acoplamiento de una pluralidad de estatores 204 y elementos de rotor 202 añaden par adicional a la salida del motor.
La figura 8B ilustra que, a medida que aumenta el diámetro del elemento de rotor 202 y el estator 204, la velocidad del elemento de rotor disminuye. En una realización, esta relación se utiliza para hacer girar el eje lentamente para mitigar ventajosamente la inclinación del eje conectado al elemento de rotor (sin limitarse a una teoría científica particular, un giro lento que proporciona un enfriamiento térmico lento del rotor del motor puede proporcionar resultados superiores). En una realización, en motores de menor diámetro se reduce la velocidad para mantener las ondas viajeras en todos los estatores a una velocidad constante.
El motor piezoeléctrico hace girar el rotor a una o más velocidades, utilizando uno o más pares, y/o durante uno o más períodos de tiempo, para así reducir o evitar la inclinación térmica del rotor en el diferencial de temperatura.
Ejemplos de velocidades de rotación incluyen velocidades bajas, tales como entre 0,5-2.0 revoluciones por minuto (rpm), pero sin limitarse a éstas.
El giro del rotor incluye rotación pulsada, rotación continua, una combinación de rotación pulsada y rotación continua, rotación sincronizada, y/o rotación esporádica, pero sin limitarse a éstas.
En un esquema de pulsación periódica, se aplica un par después de una pluralidad de minutos (por ejemplo, cada 5­ 15 minutos) para que el rotor gire una vuelta parcial o en incrementos. En una realización, se 'cronometran' vueltas parciales, por ejemplo, para media vuelta. En otro ejemplo, el pulso proporciona un movimiento aleatorio del rotor. En una realización, la modulación de pulso se logra programando el motor piezoeléctrico para transferir incrementos de par. En una realización, el motor piezoeléctrico provoca la rotación del eje girando el eje en uno o más incrementos que comprenden una revolución parcial del eje.
En un ejemplo, la velocidad y la duración de rotación son tales que la probabilidad de roce del compresor es menor que e-8 por hora de vuelo.
Posicionamiento del motor piezoeléctrico
La figura 9 ilustra un motor de turbina de gas 900 que comprende un eje de rotor 902 que muestra el posicionamiento del motor piezoeléctrico 600, 500 en el eje de rotor 902 y/o en el eje de accionamiento 904 en una transmisión 906 que conecta el eje de rotor 902 con un multiplicador 908. Por lo tanto, el eje 902 comprende el eje 200, 510 y/o el eje 904 comprende el eje 200, 510.
En una realización, la carcasa 106, 104 y la góndola 140 que alojan el eje de rotor 902 comprenden aire atrapado 116 después de haberse desconectado el motor 900 y haberse enfriado el eje de rotor 902. El aire atrapado 116 crea un gradiente de temperatura T perpendicular al eje geométrico longitudinal AA' del eje de rotor 902. Por lo tanto, la figura 9 ilustra un conjunto de motor de avión, que comprende un motor de turbina de gas 900 que incluye un eje de rotor 902, presentando el eje de rotor 902 un eje geométrico longitudinal AA'; una góndola 140 y una carcasa 106, 104 que aloja el eje de rotor 902 y que comprenden aire atrapado 116 creando un gradiente de temperatura T perpendicular al eje geométrico longitudinal a A'; y medios (circuito 1114) para hacer girar 606, 514 el eje de rotor 902 alrededor del eje geométrico AA' utilizando un motor piezoeléctrico 600, 500, reduciendo o evitando el giro 606, 514 una inclinación térmica B del eje de rotor 902 en el gradiente de temperatura T.
Etapas del proceso
La figura 10 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento para instalar un motor piezoeléctrico 600 y hacer girar 606, 514 un eje de rotor 902 en un motor de avión 900 utilizando el motor piezoeléctrico 600, 500. Típicamente, el motor piezoeléctrico 600, 500 acciona el eje de rotor 902 cuando el eje de rotor 902 se enfría en un gradiente de temperatura T perpendicular a un eje geométrico longitudinal AA' del eje de rotor 902, reduciendo o evitando, de este modo, una inclinación térmica B del eje 902 en el gradiente de temperatura.
Ejemplos del eje de rotor 902 incluyen un eje de baja presión o de alta presión en un motor de 2 bobinas 900, o un eje de baja presión o de presión intermedia en un motor de 3 bobinas.
El procedimiento comprende las siguientes etapas.
El bloque 1000 representa obtener, instalar, y/o conectar el motor piezoeléctrico 600, 500 en un eje de rotor 902 y/o eje de accionamiento 904 conectado al eje de rotor 902 a través de una transmisión 906.
En una realización, el motor piezoeléctrico 600 comprende uno o más estatores 204 y uno o más elementos de rotor 202 dispuestos alrededor de por lo menos un eje 200 seleccionado del eje de rotor 902 y el eje de accionamiento 904, en el que los elementos de rotor 202 están conectados al eje 200, tal como se ilustra en la figura 2.
En otra realización, el motor piezoeléctrico 500 comprende una pluralidad de actuadores piezoeléctricos 506 dispuestos en una superficie interna 512 de un anillo 504 alrededor del eje 510, como se ilustra en la figura. 5. Esta realización proporciona una integración espacial mejorada del motor piezoeléctrico 500.
En todavía otra realización, el motor piezoeléctrico 400 comprende una pluralidad de los estatores 204 y una pluralidad de los elementos de rotor 202 dispuestos alternativamente en una pila 402, en el que uno o más estatores quedan emparejados con una superficie 210 de un elemento del rotor, tal como se ilustra en la figura 4.
En todavía otra realización, cada uno del uno o más estatores 204 comprende unos actuadores piezoeléctricos 302 dispuestos en un aro concéntrico 304 alrededor del eje 200, tal como se ilustra en la figura 3.
Dichas configuraciones podrían instalarse en el multiplicador accesorio 908, dentro de los engranajes de la transmisión 906, o directamente en el eje de rotor del motor 902. Por lo tanto, una o más realizaciones de la presente invención proporcionan una buena solución para instalaciones espacialmente restrictivas tales como en el Boeing 737 MAX. En una o más realizaciones, el motor piezoeléctrico comprende un perfil plano para una integración más fácil en el motor.
Los actuadores piezoeléctricos 302 o aros concéntricos 204a comprenden material piezoeléctrico. Ejemplos de material piezoeléctrico incluyen materiales seleccionados de, entre otros, cuarzo, berlinita (APO4), topacio, minerales del grupo de la turmalina, titanato de plomo (PbTiO3), titanato de bario (BaTiOa), titanato de circonato de plomo (Pb[ZrxTii-x]O3 con 0 < X < 1), niobato de potasio (KNbO3), tungstato de sodio (Na2WO3), Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5Oi5, estructura de óxido de zinc (ZnO)-Wurtzita, niobato de sodio y potasio, ferrita de bismuto (BiFeO3), niobato de sodio NaNbO3, titanato de bismuto Bi4Ti3Oi2, titanato de bismuto y sodio NaBi(TiO3)2, y semiconductores III-V y II-VI.
En una realización, el material piezoeléctrico se selecciona en función de su idoneidad para su uso en el entorno del motor.
En una realización, el elemento de rotor 202 comprende un metal. Ejemplos del metal incluyen, entre otros, acero, hierro, titanio, y/o aleaciones que comprenden acero, hierro, y/o titanio. En una realización, el estator comprende el material piezoeléctrico sobre un material de sustrato que incluye un metal seleccionado de, por ejemplo, acero, hierro, titanio, y/o aleaciones que comprenden acero, hierro y/o titanio, pero sin limitarse a éstos.
El bloque 1002 representa accionar el eje de rotor 902 utilizando el motor piezoeléctrico 600, 500, que comprende aplicar uno o más campos eléctricos para accionar el motor piezoeléctrico, girando así el eje 200.
Tal como se ha descrito anteriormente, el aire 134 introducido en la góndola 140 queda atrapado en el motor 900, creando un gradiente de temperatura T perpendicular al eje geométrico longitudinal AA' del eje de rotor 902. El eje de rotor 902 gira 514, 606 utilizando el motor piezoeléctrico cuando el eje de rotor 902 se enfría en el gradiente de temperatura T, reduciendo o evitando una inclinación térmica B del eje de rotor 902 en el gradiente de temperatura T.
En una realización, girar 606, 514 comprende girar el eje 200, 508 en una o más vueltas parciales (cada vuelta parcial menos de una revolución). En otra realización, girar 606, 514, 404 comprende girar o rotar el eje 200 en más de una revolución.
En una realización, el campo eléctrico E aplicado al uno o más estatores 204, 502 genera una o más ondas viajeras 602, 702, 704 en los estatores 204, 502. La onda viajera 602, 702, 704 presiona contra el uno o más elementos de rotor 202, 508, o presionan los estatores 204, 502 contra un elemento del rotor 202, 508 para suministrar una salida mecánica al uno o más elementos de rotor 202, girando así 404, 606. 514 el elemento del rotor 202 y el eje 508, 200 conectado o que comprende el elemento de rotor 202, 508.
En otra realización, los campos eléctricos E se aplican a una pluralidad de estatores 204 emparejados con una superficie 210 de un elemento de rotor 202. En respuesta a los campos eléctricos E, los estatores 204 presionan contra diferentes posiciones radiales R1, R2, R3 en la superficie 210 del elemento de rotor 202, aplicando, de este modo, un par 606a, 514a, 404a a la superficie 210 y al elemento de rotor 202 y al eje 200 conectado al elemento de rotor 202.
En otra realización, los campos eléctricos E se aplican a los actuadores 302 de acuerdo con una secuencia tal que los actuadores piezoeléctricos 302 presionan secuencialmente contra la superficie 210 del elemento 202 del rotor y aplican un par 606a, 514a, 404a a la superficie 210 y al elemento de rotor 202 y al eje 200 conectado al elemento rotor 202.
En la realización de la figura 5, los campos eléctricos E se aplican secuencialmente a los actuadores piezoeléctricos 506 de manera que los actuadores 506 presionan secuencialmente contra la superficie externa 508 del eje 510, aplicando un par 606a, 514a, 404a a la superficie externa 508 y haciendo girar 514 el eje 510.
En una realización, el par se aplica directamente sobre el eje de rotor 902 a través del motor piezoeléctrico 600 montado en el eje de rotor 902. En otra realización, el par 606a, 514a, 404a se aplica directamente a un eje de accionamiento 904 (por ejemplo, un eje de la torre o un eje de un multiplicador auxiliar 908) conectado al eje de rotor 902. Un embrague, acoplado al eje de accionamiento 904, conecta el eje de accionamiento al eje de rotor 902, por ejemplo, después de haberse desconectado el motor 900, de modo que el eje de accionamiento 904 hace girar 514, 606, 404 el eje de rotor 902.
La realización del eje de accionamiento 904 elimina el problema de dejar suficiente espacio libre entre el estator y el eje de rotor de manera que el eje de rotor no roce y dañe el estator.
En una realización, el motor piezoeléctrico 600, 500 se activa para hacer girar el eje de rotor 902 pronto/inmediatamente después de haberse desconectado el motor para minimizar retardos en la salida del avión. En otra realización, el motor piezoeléctrico se activa para hacer girar el rotor antes del arranque del motor (es decir, antes de accionar el motor, y en el que accionar se refiere a hacer girar el eje después del arranque del motor, pero antes del repostaje).
Dimensiones del sistema
En una o más realizaciones, el sistema de motor piezoeléctrico que se describe aquí tiene un peso y unas dimensiones optimizados para compacidad para superar restricciones de peso y espacio, por ejemplo, para que el sistema de motor hidráulico/neumático pueda integrarse en los motores de aviones más pequeños como un Boeing 737 Max. En un ejemplo, el motor piezoeléctrico tiene un diámetro como máximo de 6", es como máximo 12" de largo, y tiene un peso de como máximo 25 libras. Sin embargo, el motor hidráulico/neumático puede implementarse en todos los aviones, incluyendo, entre otros, los aviones Boeing 787, 777 y 747.
Características del sistema de ejemplo
Una o más realizaciones del sistema ETM comprenden un sistema de motor piezoeléctrico instalado en un avión que utiliza componentes de manera que:
- el avión puede enviarse durante por lo menos 10 días después de un fallo del ETM;
- el fallo del sistema ETM no requiere un mantenimiento de línea para enviar el avión;
- el fallo del ETM no interfiere con el funcionamiento del motor y, en particular, no interfiere con el arranque del motor;
- el índice de fallos del ETM es de e-5 por hora de vuelo o mejor;
- el ETM es lo suficientemente confiable como para que no se requiera un esquema de respaldo (por ejemplo, el ETM tiene una confiabilidad de por lo menos e-6 por hora de vuelo o por lo menos e-7 por hora de vuelo);
- el ETM tiene una función de bloqueo, en caso de que surjan problemas imprevistos y el sistema deba desactivarse fácilmente;
- las demandas de energía para hacer girar el rotor y reducir una inclinación térmica se reducen en comparación con sistemas que utilizan un motor eléctrico para hacer girar el rotor; y/o
- la instalación y certificación es más fácil en comparación con sistemas que utilizan un motor eléctrico para hacer girar el rotor (por ejemplo, el sistema ETM no incluye una nueva fuente de ignición o fuente de combustible que se añada a diseños de protección contra incendios del motor).
Entorno de procesamiento
La figura 11 ilustra un sistema de ejemplo 1100 que comprende un ordenador 1102 que podría utilizarse para implementar elementos de procesamiento necesarios para controlar el giro de sistemas de motor piezoeléctrico 600, 500 descritos aquí (por ejemplo, selección de secuencia, temporización y magnitud de los campos eléctricos E). El ordenador 1102 se encuentra dispuesto típicamente en el avión, por ejemplo, en una caja montada en la carcasa del ventilador del motor o dentro del avión, pero sin limitarse a esto.
El ordenador 1102 comprende un procesador (que comprende un procesador de uso general 1104A y un procesador de uso especial 1104B) y una memoria, tal como una memoria de acceso aleatorio (RAM) 1106. En general, el ordenador 1102 opera bajo el control de un sistema operativo 1108 almacenado en la memoria 1106, e interactúa con el usuario para aceptar entradas y comandos (señales analógicas o digitales) y presentar resultados a través de un módulo de entrada/salida 1110. La aplicación de programa de ordenador 1112 accede y manipula datos almacenados en la memoria 1106 del ordenador 1102. El sistema operativo 1108 y el programa de ordenador 1112 están compuestos de instrucciones que, cuando son leídas y ejecutadas por el ordenador 1102, hacen que el ordenador 1102 realice las operaciones aquí descritas. En una realización, las instrucciones que implementan el sistema operativo 1108 y el programa informático 1110 se encuentran incorporadas de manera tangible en la memoria 1106, formando, de este modo, un producto de programa informático o artículo de fabricación. Como tal, los términos "artículo de fabricación", "dispositivo de almacenamiento de programas" y "producto de programa informático", tal como se utilizan aquí, pretenden abarcar un programa de ordenador accesible desde cualquier dispositivo o medio legible por ordenador.
En una realización, el ordenador 1102 comprende una o más matrices de puertas programable en campo (FPGAs).
La figura 11 ilustra, además, un circuito 1114 conectado al uno o más estatores 204, en el que el eje 200 gira cuando el uno o más estatores 204 presionan contra uno o más elementos de rotor 202 en respuesta a uno o más campos eléctricos E aplicados por el circuito 1114 sobre el uno o más estatores 204.
En una realización, el ordenador 1102 comprende un controlador que activa el motor piezoeléctrico 600 regulando los campos eléctricos aplicados E aplicados al motor 600 a través de un circuito 1114 conectado al ordenador 1102 y los estatores 204. En un ejemplo, el circuito 1114 comprende una fuente de tensión conectada a los aros concéntricos 204a o actuadores piezoeléctricos 302 a través de uno o más interruptores, aplicando la fuente de tensión el uno o más campos eléctricos E a los aros concéntricos 204a o actuadores piezoeléctricos 302 cuando los interruptores están cerrados.
En una realización, una unidad de control electrónico del motor (EEC) envía una petición digital al controlador a través de la E/S 1110 para reducir, aumentar, y/o modificar la secuencia de temporización de los campos eléctricos E aplicados por el circuito 1114, controlando, de este modo, velocidades del rotor compresor 902. En todavía otra realización, el ordenador 1102 proporciona un estado a la EEC a través de la E/S 1110 de modo que el controlador y/o el sistema de monitorización de la EEC monitorizan el rendimiento y/o controlan la rotación del eje de rotor 902. En una realización, el ordenador 1102 recibe una señal a través de la E/S 1110 desde un interruptor de desconexión del motor después de haberse desconectado el motor. En respuesta a ello, el ordenador 1102 activa el circuito 1114 y el circuito 1114 aplica uno o más campos eléctricos E al motor piezoeléctrico 600. En una realización, el ordenador 1102 activa el motor piezoeléctrico 600 para hacer girar el rotor 108 antes del arranque del motor (es decir, antes de accionar el motor).
En otra realización, la duración de la rotación se optimiza haciendo que el ordenador 1102 calcule la inclinación (en función del tiempo transcurrido desde la última parada del motor) y calcule la duración de rotación requerida a implementar. Varios instrumentos para monitorizar la inclinación pueden incluir acelerómetros ya utilizados para la monitorización de vibraciones o sensores basados en microondas para la medición de distancias.
La figura 11 ilustra, además, una fuente de alimentación 1116 para proporcionar energía al sistema 1100.
Los expertos en la materia reconocerán que pueden realizarse muchas modificaciones a esta configuración sin apartarse del alcance de la presente descripción. Por ejemplo, los expertos en la materia reconocerán que puede utilizarse cualquier combinación de los componentes anteriores, o cualquier número de componentes, periféricos, y otros dispositivos diferentes.
Conclusión
Esto concluye la descripción de las realizaciones preferidas de la presente descripción. La descripción anterior de la realización preferida se ha presentado con fines ilustrativos y descriptivos. No pretende ser exhaustiva o limitar la descripción a la forma precisa descrita. Son posibles muchas modificaciones y variaciones a la vista de las enseñanzas anteriores. Se pretende que el alcance de derechos no esté limitado por esta descripción detallada, sino por las reivindicaciones adjuntas a la misma.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Conjunto de motor de avión, que comprende:
un motor de turbina de gas (138, 900) que incluye un eje de rotor (122, 200, 902); estando caracterizado el conjunto de motor de avión por el hecho de que comprende, además
un motor piezoeléctrico (400, 500, 600) acoplado a por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904), en el que el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) hace girar el eje de rotor (122, 200, 902) en respuesta a uno o más campos eléctricos.
2. Conjunto de motor de avión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que:
el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) comprende uno o más estatores (204, 304, 502) y uno o más elementos de rotor (202) dispuestos alrededor del por lo menos un eje,
los elementos de rotor (202) están conectados al por lo menos un eje; y
el rotor gira cuando el uno o más estatores (204, 304, 502) presionan contra el uno o más elementos de rotor (202) en respuesta al uno o más campos eléctricos aplicados sobre el uno o más estatores (204, 304, 502).
3. Conjunto de motor de avión de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que:
los campos eléctricos generan una o más ondas viajeras en los estatores (204, 304, 502), y
las ondas viajeras presionan contra el uno o más elementos de rotor (202), haciendo girar, de este modo, el uno o más elementos de rotor (202) y el eje de rotor (122, 200, 902) conectado al uno o más elementos de rotor (202).
4. Conjunto de motor de avión de acuerdo con las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por el hecho de que comprende, además, una pluralidad de estatores (204, 304, 502) y una pluralidad de elementos de rotor (202) dispuestos alternativamente en una pila (402).
5. Conjunto de motor de avión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-4, caracterizado por el hecho de que comprende, además, una pluralidad de los estatores (204, 304, 502) emparejados con una superficie (210) de uno de los elementos de rotor (202), en el que la pluralidad de los estatores (204, 304, 502) presionan contra diferentes posiciones radiales sobre la superficie (210).
6. Conjunto de motor de avión de cualquiera de las reivindicaciones 2-5, caracterizado por el hecho de que comprende, además, uno o más de los estatores (204, 304, 502) emparejados con una superficie (210) de uno de los elementos de rotor (202), en el que:
cada uno del uno o más estatores (204, 304, 502) comprende unos actuadores piezoeléctricos (302, 506) dispuestos en un aro concéntrico (304, 504) alrededor del eje de rotor (122, 200, 902) o el eje de accionamiento (130, 904), y
los actuadores (302, 506) presionan secuencialmente contra la superficie (210) en respuesta al uno o más campos eléctricos aplicados a cada uno de los actuadores (302, 506) aplicando, de este modo, par a la superficie.
7. Conjunto de motor de avión de cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por el hecho de que:
el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) comprende una pluralidad de actuadores piezoeléctricos (302, 506) dispuestos en una superficie interna de un anillo alrededor del eje de rotor (122, 200, 902) o el eje de accionamiento (130, 904), y
el eje de rotor (122, 200, 902) o el eje de accionamiento (130, 904) gira cuando los actuadores (302, 506) presionan secuencialmente contra una superficie externa del eje en respuesta a uno o más campos eléctricos aplicados a los actuadores (302, 506).
8. Procedimiento para hacer girar un eje en un motor de avión, que comprende:
accionar un eje de rotor (122, 200, 902) en un motor de avión (138, 900) utilizando un motor piezoeléctrico (400, 500, 600) acoplado a por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904).
9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que, comprende, además hacer girar el eje de rotor (122, 200, 902) utilizando el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) cuando el eje de rotor (122, 200, 902) se enfría en un gradiente de temperatura perpendicular a un eje longitudinal del eje de rotor (122, 200, 902), reduciendo o evitando así una inclinación térmica del eje de rotor (122, 200, 902) en el gradiente de temperatura.
10. Procedimiento de acuerdo con las reivindicaciones 8 o 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además:
obtener el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) que comprende uno o más estatores (204, 304, 502) y uno o más elementos de rotor (202) dispuestos alrededor de por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904), en el que accionar comprende, además:
conectar el uno o más elementos de rotor (202) al eje; y
generar una o más ondas viajeras en los estatores (204, 304, 502) de modo que las ondas viajeras suministren potencia mecánica al uno o más elementos de rotor (202) y hagan girar el eje de rotor (122, 200, 902) o el eje de accionamiento (130, 904).
11. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado por el hecho de que comprende, además:
disponer el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) que comprende estatores (204, 304, 502) emparejados con una superficie (210) de un elemento de rotor (202); y
conectar el elemento de rotor (202) al por lo menos un eje; y
en el que accionar comprende aplicar uno o más campos eléctricos a los estatores (204, 304, 502) de modo que los estatores (204, 304, 502) presionen contra diferentes posiciones radiales sobre la superficie (210), aplicando par al elemento del rotor (202) y el por lo menos un eje conectado al elemento de rotor (202).
12. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado por el hecho de que comprende, además:
disponer el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) que comprende uno o más estatores (204, 304, 502) emparejado con una superficie (210) de un elemento de rotor (202), en el que cada uno del uno o más estatores (204, 304, 502) comprende unos actuadores piezoeléctricos (302, 506) dispuestos en un aro concéntrico (304, 504) alrededor de por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904) en una transmisión conectada al eje de rotor (122, 200, 902);
conectar uno o más de los elementos de rotor (202) al por lo menos un eje; y
en el que accionar comprende, además, aplicar secuencialmente uno o más campos eléctricos a los actuadores (302, 506) de modo que los actuadores (302, 506) presionen secuencialmente contra la superficie, aplicando par al elemento de rotor y al por lo menos un eje conectado al elemento de rotor (202).
13. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado por el hecho de que comprende, además:
disponer el motor piezoeléctrico (400, 500, 600) que comprende una pluralidad de actuadores piezoeléctricos (302, 506) dispuestos en una superficie interna de un anillo alrededor de por lo menos un eje seleccionado del eje de rotor (122, 200, 902) y un eje de accionamiento (130, 904) en una transmisión conectada al eje de rotor (122, 200, 902), en el que accionar comprende, además, aplicar secuencialmente uno o más campos eléctricos a los actuadores (302, 506) de modo que los actuadores (302, 506) presionen secuencialmente contra una superficie exterior del por lo menos un eje, aplicando par al por lo menos un eje.
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