ES2896956T3 - Arrancador de turbina de aire - Google Patents

Abstract

Un arrancador de turbina de aire (10), que comprende: una carcasa (30); al menos un miembro de turbina (72, 74) articulado dentro de la carcasa (30); una caja de engranajes (42) que define al menos parcialmente un interior de caja de engranajes (98) que tiene una cara abierta y donde el interior de caja de engranajes (98) aloja al menos parcialmente un tren de engranajes (96) que está acoplado de manera motriz con el al menos un miembro de turbina (72, 74); un retenedor (100) que tiene un cuerpo que cierra al menos parcialmente la cara abierta, estando el cuerpo configurado para tapar la cara abierta del interior (98) de la caja de engranajes (42); y un árbol motriz (108) acoplado operativamente con el tren de engranajes (96) y que tiene un extremo de salida; en donde la caja de engranajes (42) está configurada para usar grasa como lubricante, y el retenedor (100) está adaptado para mantener, durante el uso, la grasa dentro del interior de caja de engranajes (98) durante la vida útil de la caja de engranajes (42).

Description

DESCRIPCIÓN

Arrancador de turbina de aire

ANTECEDENTES

Un motor de aeronave, por ejemplo un motor de turbina de gas, se engrana en operación regular con un arrancador de turbina de aire. Normalmente, los arrancadores de turbina de aire se montan en el motor a través de una caja de engranajes u otro conjunto de transmisión. La transmisión transfiere potencia del arrancador al motor para ayudar a arrancar el motor. Los componentes internos tanto del motor de turbina de gas como del arrancador de turbina de aire giran juntos de tal manera que el arrancador de turbina de aire puede usarse para arrancar el motor.

El documento WO 90/12205 (Allied-Signal Inc) describe un arrancador de turbina de aire para su uso a bordo de una aeronave que incluye un tren de potencia de doble intervalo y un embrague que cambia automáticamente entre los intervalos según el uso que experimenta el arrancador.

La patente estadounidense US 2012/0045320 (Zawilinski et al) describe una sección de perfil de paleta para un arrancador de turbina de aire que incluye una superficie aerodinámica que define una sección de perfil de superficie aerodinámica a través de un borde de ataque y un borde de salida. La sección de perfil de superficie aerodinámica se define por un conjunto de coordenadas X y coordenadas Y.

La patente europea EP 1698762 describe un arrancador de turbina de aire según la técnica anterior.

BREVE DESCRIPCIÓN

En un aspecto, la presente descripción se refiere a un arrancador de turbina de aire que incluye una carcasa, al menos un miembro de turbina articulado dentro de la carcasa, una caja de engranajes que define al menos parcialmente un interior que tiene una cara abierta y donde el interior aloja al menos parcialmente un tren de engranajes que está acoplado de manera motriz con el al menos un miembro de turbina, un retenedor que tiene un cuerpo que cierra al menos parcialmente la cara abierta, estando el cuerpo configurado para tapar la cara abierta del interior de la caja de engranajes. Un árbol de salida está acoplado operativamente con el tren de engranajes y tiene un extremo de salida. La caja de engranajes está configurada para usar grasa como lubricante, y el retenedor está adaptado para mantener, durante el uso, la grasa dentro del interior de caja de engranajes durante la vida útil de la caja de engranajes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

En los dibujos:

La figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un motor de turbina con una caja de engranajes accesoria y un arrancador de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 2 es una vista en perspectiva de un arrancador que puede utilizarse en el conjunto de motor de la figura 1, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 3 es una vista en sección transversal del arrancador de la figura 2, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 4 es una vista parcialmente despiezada del arrancador de la figura 2, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 5 es una vista en perspectiva de una parte del arrancador de la figura 2, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 6 es una vista en sección transversal ampliada de una parte del arrancador de la figura 2, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 7 es una vista en perspectiva parcialmente cortada del arrancador de la figura 2 con una válvula de entrada en una segunda posición, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria. La figura 8 es una vista en sección transversal de una parte del arrancador de la figura 2 con partes en un evento diente a diente, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 8A es una vista en perspectiva de una parte del arrancador de la figura 2 con partes en un evento diente a diente, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 9 es una vista en sección transversal de la parte del arrancador de la figura 8 que ilustra la rotación, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 10 es una vista en sección transversal de la parte del arrancador de la figura 8 que ilustra una retracción, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 11 es una vista en sección transversal de una parte del arrancador de la figura 2 con un engranaje de piñón en posición engranada, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

La figura 11A es una vista en perspectiva de una parte del arrancador en la posición ilustrada en la figura 11, de acuerdo con diversos aspectos descritos en la presente memoria.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES

La presente descripción está relacionada con un mecanismo de accionamiento que genera movimiento cinético en forma de un árbol rotatorio acoplado con una pieza de un equipo rotatorio. Un ejemplo no limitante es un arrancador de turbina de aire. El arrancador puede tener diversas aplicaciones que incluyen, pero no se limitan a, arrancar un motor de turbina de gas, arrancar un motor alternativo, arrancar un motor marino o similar.

Todas las referencias direccionales (p. ej., radial, superior, inferior, hacia arriba, hacia abajo, izquierda, derecha, lateral, delantero, trasero, de arriba, de abajo, encima, debajo, vertical, horizontal, en el sentido de las agujas del reloj, en sentido contrario a las agujas del reloj) solo se usan con fines de identificación para ayudar al lector a comprender la descripción y no crean limitaciones, especialmente en cuanto a la posición, orientación, o uso de la misma. Las referencias de conexión (p. ej., fijado, acoplado, conectado y unido) deben interpretarse de manera amplia y pueden incluir miembros intermedios entre una recopilación de elementos y el movimiento relativo entre elementos a menos que se indique lo contrario. Como tal, de las referencias de conexión no se infiere necesariamente que dos elementos estén conectados directamente y en relación fija entre sí. Los dibujos a modo de ejemplo solo tienen fines ilustrativos y pueden variar las dimensiones, posiciones, orden y tamaños relativos reflejados en los dibujos adjuntos.

Como se usa en la presente memoria, la expresión "hacia delante" o "aguas arriba" se refiere a moverse en una dirección de flujo de fluido hacia la entrada, o un componente que está relativamente más cerca de la entrada en comparación con otro componente. La expresión "a popa" o "aguas abajo" se refiere a una dirección hacia la salida de una trayectoria de flujo con respecto al arrancador de turbina de aire, o un componente que está relativamente más cerca de la salida en comparación con otro componente. Adicionalmente, como se usa en la presente memoria, los términos "radial" o "radialmente" se refieren a una dimensión que se extiende entre un eje longitudinal central del motor y una circunferencia de motor exterior. Debe entenderse además que "un conjunto" puede incluir cualquier número de los elementos descritos respectivamente, incluyendo solo un elemento.

Refiriéndose a la figura 1, un motor arrancador o un arrancador de turbina de aire 10 está acoplado a una caja de engranajes accesoria (AGB) 12, también conocida como carcasa de transmisión, y juntos se ilustran esquemáticamente montados en un motor de turbina 14, tal como un motor de turbina de gas. El motor de turbina 14 incluye una entrada de aire con un ventilador 16 que suministra aire a una región de compresión de alta presión 18. La entrada de aire con un ventilador 16 y la región de compresión de alta presión se conocen conjuntamente como la "sección fría" del motor de turbina 14 aguas arriba de la combustión. La región de compresión de alta presión 18 proporciona una cámara de combustión 20 con aire a alta presión. En la cámara de combustión, el aire a alta presión se mezcla con combustible y se quema. El gas quemado caliente y presurizado pasa a través de una región de turbina 22 antes de salir del motor de turbina 14. A medida que los gases presurizados pasan a través de la región de turbina 22, las turbinas extraen energía rotatoria del flujo de los gases que pasan a través del motor de turbina 14. La turbina de alta presión de la región de turbina 22 puede acoplarse al mecanismo de compresión (no mostrado) de la región de compresión de alta presión 18 por medio de un árbol para accionar el mecanismo de compresión.

La AGB 12 está acoplada al motor de turbina 14 en la región de turbina 22 por medio de una toma de fuerza mecánica 26. La toma de fuerza mecánica 26 contiene múltiples engranajes y medios para el acoplamiento mecánico de la AGB 12 al motor de turbina 14. En condiciones operativas normales, la toma de fuerza 26 traslada la potencia del motor de turbina 14 a la AGB 12 para accionar los accesorios de la aeronave, por ejemplo, pero no se limita a las bombas de combustible, sistemas eléctricos y controles ambientales de cabina. El arrancador de turbina de aire 10 a menudo se monta cerca de al menos una de la AGB 12 o la toma de fuerza 26 del motor de turbina 14. Por ejemplo, el arrancador de turbina de aire 10 puede montarse en el exterior de la región de entrada de aire que contiene el ventilador 16 o en el núcleo cerca de la región de compresión de alta presión 18.

Durante la operación, el arrancador de turbina de aire 10 puede usarse para iniciar la rotación del motor. Aunque se ha ilustrado que el arrancador de turbina de aire 10 se utiliza en el entorno de un motor de aeronave, se entenderá que la descripción no está tan limitada. El arrancador de turbina de aire puede usarse en cualquier entorno adecuado para iniciar la rotación, incluso en otras aplicaciones móviles o no móviles, según se desee.

Refiriéndose ahora a la figura 2, se muestra con mayor detalle un arrancador de turbina de aire a modo de ejemplo 10. En general, el arrancador de turbina de aire 10 incluye una carcasa 30 que define una entrada 32 y un conjunto de salidas 34. Una trayectoria de flujo 36, ilustrada esquemáticamente con una flecha, se extiende entre la entrada 32 y el conjunto de salidas 34 para comunicar un flujo de fluido, que incluye, pero no se limita a, gas, aire comprimido o similar, a su través. La carcasa 30 puede estar compuesta por dos o más partes que se combinan entre sí o pueden formarse integralmente como una sola pieza. En los aspectos descritos de la descripción, la carcasa 30 del arrancador de turbina de aire 10 define, en general, en una disposición en serie en línea, un conjunto de entrada 38, una sección de turbina 40, una caja de engranajes 42 y una sección motriz 44. El arrancador de turbina de aire 10 puede estar formado por cualquier material y método, incluyendo, pero sin limitarse a, fundición a presión de metales ligeros y de alta resistencia tales como el aluminio, acero inoxidable, hierro o titanio. La carcasa 30 y la caja de engranajes 42 pueden formarse con un espesor suficiente para proporcionar una rigidez mecánica adecuada sin añadir peso innecesario al arrancador de turbina de aire 10 y, por lo tanto, la aeronave.

Como se ve mejor en la figura 3, el conjunto de entrada 38 incluye un acoplamiento de entrada 46 que puede conectarse con cualquier conducto adecuado que transporte un flujo de gas que incluye, pero no se limita a, gas presurizado. En un ejemplo no limitante, el gas es aire y se suministra desde una fuente de flujo de gas, incluyendo, pero sin limitarse a, un carro de aire que opera desde tierra, una unidad de potencia auxiliar, o un arranque con purga cruzada de un motor que ya está operando. El acoplamiento de entrada 46 se acopla de manera fluida con un plénum de entrada 48, que dirige aire presurizado al interior de la sección de turbina 40 a través de una abertura de entrada 50. Una válvula de entrada 52 puede abrir y cerrar selectivamente la abertura de entrada 50. La abertura de entrada 50 está en línea con la sección de turbina 40. Más específicamente, se ha ilustrado un eje de rotación 51 para la sección de turbina 40. La abertura de entrada 50 está alineada con el eje de rotación 51. Aunque el acoplamiento de entrada 46 está orientado en una dirección ascendente, se entenderá que la alimentación de aire a través de la abertura de entrada 50 a través de la válvula de entrada 52 está en línea con la sección de turbina 40. Esto permite un arrancador de turbina de aire más compacto 10.

La válvula de entrada 52 puede ser cualquier válvula de entrada adecuada y se ha ilustrado a modo de ejemplo en la presente memoria como una válvula de entrada neumática. La válvula de entrada 52 está dispuesta al menos parcialmente dentro de la abertura de entrada 50 y puede moverse entre una posición abierta y una posición cerrada. Puede utilizarse un accionador neumático para mover la válvula de entrada 52 a su posición abierta. La fuente de potencia neumática para el accionador puede ser aire presurizado suministrado desde, por ejemplo, una unidad de potencia auxiliar (APU), aire purgado desde otro compresor de motor, un carro de tierra, o similar. En algunos casos, el aire presurizado suministrado al arrancador de turbina de aire 10 y la válvula de entrada 52 no está regulado, y a una magnitud de presión mayor que la que puede ser necesaria para la operación del arrancador de turbina de aire 10. Por lo tanto, algunas válvulas de entrada 52 también pueden configurarse como una válvula de regulación de presión, para regular de este modo la presión del flujo de aire al arrancador de turbina de aire.

El aire presurizado puede suministrarse en la abertura 54 a una cavidad 56 en un asiento de válvula 58. Independientemente de la fuente específica de aire presurizado, el aire suministrado impulsa la válvula de entrada 52 desde la posición cerrada a una posición abierta (figura 7). Puede incluirse un elemento de empuje 60 para empujar la válvula de entrada 52 hacia la posición cerrada cuando ya no se suministra aire presurizado a la cavidad 56. El elemento de empuje 60 puede ser cualquier mecanismo adecuado y se ha ilustrado en la presente memoria, a modo de ejemplo no limitante, como un resorte helicoidal.

51 la válvula de entrada 52 está en la posición abierta, el aire presurizado se dirige al plénum de entrada 48, fluye a través de la entrada 32 de la carcasa, un canal de flujo 62, y sale de la carcasa 30 a través del conjunto de salidas 34. El canal de flujo 62 incluye una parte de flujo axial 64 formada a través de un conjunto de anillo 66 que está montado dentro de la carcasa 30 cerca de la entrada 32. El conjunto de anillo 66 incluye una abertura central 68 y un conjunto de boquillas espaciadas circunferencialmente 70 (mejor ilustradas en la figura 4) que forman parte de y sobresalen radialmente desde una superficie del conjunto de anillo 66. La abertura central 68 proporciona una entrada al canal de flujo 62 y las únicas salidas son las definidas por las boquillas 70 del conjunto de anillo 66.

Dentro de la sección de turbina 40 se incluye un conjunto de rotores o miembros de turbina. En el ejemplo ilustrado, un primer miembro de turbina 72 y un segundo miembro de turbina 74 forman un miembro de turbina gemela y están montados rotatoriamente dentro de la carcasa 30 en la sección de turbina 40 y dispuestos dentro de la trayectoria de flujo 36 (figura 5) para extraer de manera rotatoria potencia mecánica del flujo de gas a lo largo de la trayectoria de flujo 36. El primer miembro de turbina 72 y el segundo miembro de turbina 74 definen las etapas primera y segunda, respectivamente, de la sección de turbina 40. En particular, el primer miembro de turbina 72 y el segundo miembro de turbina 74 incluyen unas ruedas que tienen una serie de paletas o boquillas a lo largo de su periferia. Las boquillas 76 del primer miembro de turbina 72 están alineadas con las boquillas 70 del conjunto de anillo 66 y en una relación estrechamente espaciada con la superficie interior de la carcasa 30. Un anillo intermedio 80 que tiene unas boquillas 82 puede localizarse entre el primer miembro de turbina 72 y el segundo miembro de turbina 74. Las boquillas 78 del segundo miembro de turbina 74 pueden alinearse con las boquillas 82 del anillo intermedio 80 y en una relación estrechamente espaciada con la superficie interior de la carcasa 30.

El primer miembro de turbina 72 puede considerarse un rotor de primera etapa y el segundo miembro de turbina 74 puede considerarse un rotor de segunda etapa. De manera similar, el conjunto de anillo 66 puede considerarse un primer estátor o una primera etapa de boquilla y el anillo intermedio 80 puede considerarse un segundo estátor o una segunda etapa de boquilla. Se ha ilustrado que el conjunto de anillo 66 incluye dieciséis boquillas 70. Se ha ilustrado que el anillo intermedio incluye veinticuatro boquillas 82. Ambas etapas de boquilla primera y segunda tienen un mayor número de boquillas que las que se encuentran normalmente en los arrancadores heredados de este tamaño (14 y 22, respectivamente). Las boquillas adicionales en combinación con las superiores permiten que el arrancador de turbina de aire 10 consuma más aire y a una presión más alta que los productos heredados. Esto permite un par más alto de 70 psig (482633 Pa), que es un 26% más que otros estárteres heredados.

Aunque se describen dieciséis boquillas 70 y veinticuatro boquillas 82, pueden incluirse más o menos boquillas en al menos uno del conjunto de anillo 66, el anillo intermedio 80, o similar. Por ejemplo, en un ejemplo no limitante, el anillo intermedio 80 puede incluir veinticinco boquillas 82.

El primer miembro de turbina 72 y el segundo miembro de turbina 74 se acoplan a través de un árbol de salida 90. Más específicamente, el primer miembro de turbina 72 y el segundo miembro de turbina 74 pueden incluir, cada uno de los mismos, una parte de buje central 92 que está enchavetada a una primera parte del árbol de salida 90. El árbol de salida 90 está soportado de manera rotatoria por un par de cojinetes 94.

El árbol de salida 90 actúa como una entrada rotatoria a un tren de engranajes 96, dispuesto dentro de un interior 98 de la caja de engranajes 42. El tren de engranajes 96 puede incluir cualquier conjunto de engranajes, incluyendo, pero sin limitarse a, un conjunto de engranajes planetarios o un conjunto de engranajes de piñón. El árbol de salida 90 acopla el tren de engranajes 96 a los miembros de turbina primero y segundo 72, 74 permitiendo la transferencia de potencia mecánica al tren de engranajes 96. El interior 98 de la caja de engranajes 42 puede contener un lubricante (no mostrado), incluyendo una grasa para proporcionar lubricación y enfriamiento a las partes mecánicas contenidas en el mismo, tal como el tren de engranajes 96.

Puede montarse un miembro de retención 100 en la caja de engranajes 42 y puede incluirse para tapar el interior 98 de la caja de engranajes 42. El miembro de retención 100 puede incluir una placa 102 con una abertura 104 a través de la que puede extenderse el árbol de salida 90. Aunque el término "placa" se ha utilizado en la presente memoria, se entenderá que dicha parte del miembro de retención 100 no necesita ser plana. En el ejemplo ilustrado, la placa 102 incluye un perfil no plano o escalonado, a modo de ejemplo no limitante.

Se entenderá que el miembro de retención 100 puede tener cualquier forma, perfil, contorno, etc., adecuado. En el ejemplo ilustrado, puede montarse una parte periférica entre la carcasa y la caja de engranajes, y la placa 102 incluye una parte central que se extiende hacia la carcasa con la abertura 104 localizada en la misma. El cuerpo o placa 102 puede incluir una parte troncocónica. No es necesario que este sea el caso y el miembro de retención 100 puede ser cualquier retenedor adecuado configurado para impedir o limitar el movimiento del lubricante desde el interior de la caja de engranajes 42. Se entenderá que el árbol de salida 90 y el miembro de retención 100 pueden formar un sello estanco a fluidos.

El miembro de retención 100 está adaptado para mantener la grasa dentro de la caja de engranajes 42 durante toda la vida útil de la caja de engranajes. Se contempla que cuando un lubricante, tal como grasa, esté localizado dentro del interior 98, el miembro de retención 100 puede retener el lubricante dentro del interior 98. Esto limita la migración de lubricantes dentro de la carcasa 30 y da como resultado una lubricación de engranajes mejorada, de manera que la caja de engranajes 42 no se seque, como ha sido un problema en los conjuntos convencionales. Además, no es necesario añadir una cantidad adicional de lubricante durante la vida útil del conjunto.

Una salida del tren de engranajes 96 puede acoplarse operativamente a un primer extremo 106 de un árbol motriz 108. El árbol motriz rotatorio 108 puede construirse con cualquier material y método, incluyendo, pero sin limitarse a, la extrusión o mecanizado de aleaciones metálicas de alta resistencia, tales como las que contienen aluminio, hierro, níquel, cromo, titanio, tungsteno, vanadio o molibdeno. El diámetro del árbol motriz 108 puede ser fijo o variar a lo largo de su longitud.

Puede localizarse una abertura 110 dentro de la caja de engranajes 42 a través de la que el primer extremo 106 del árbol motriz 108 puede extenderse para engranarse con el tren de engranajes 96. Una segunda carcasa 112 puede acoplarse operativamente con la caja de engranajes 42. El árbol motriz 108 puede montarse de manera rotatoria dentro de la segunda carcasa 112.

Por ejemplo, un segundo extremo 116 del árbol motriz 108 puede montarse para rotar dentro de una unidad de cojinete 118 soportada y contenida en una carcasa de extremo 120. La carcasa de extremo 120 puede montarse en la segunda carcasa 112 de cualquier manera adecuada. La carcasa de extremo 120 se forma y se monta para tener su superficie de pared interior en una relación concéntrica estrechamente espaciada con la estructura, que contiene y tiene un extremo de la misma apoyada y atornillada en el extremo de la segunda carcasa 112. La segunda carcasa 112 y la carcasa de extremo 120 se fijan para ser coaxiales con la carcasa 30 y la segunda carcasa 112. De esta manera, la carcasa incluye una pluralidad de secciones montadas juntas.

La carcasa de extremo 120 se recorta en la parte de extremo más exterior 122 para exponer una parte del árbol motriz 108 y un engranaje de piñón 124 acoplado operativamente al mismo. En el ejemplo ilustrado, la parte de extremo 122 puede considerarse la parte de abajo de la carcasa de extremo 120 y puede exponer una parte inferior del árbol motriz 108 y el engranaje de piñón 124.

La carcasa de extremo 120 también aloja un conjunto de embrague 126 acoplado operativamente al árbol motriz 108. En el ejemplo ilustrado, una ranura 132 que tiene una parte roscada helicoidal 134 (figura 7) se acopla operativamente al árbol motriz 108 y el conjunto de embrague 126. El conjunto de embrague 126 puede incluir cualquier tipo de acoplamiento que incluya, pero sin limitarse a, engranajes, ranuras, un mecanismo de embrague, o combinaciones de los mismos. En el ejemplo ilustrado, el conjunto de embrague 126 incluye una ranura de embrague 136 que tiene una rosca helicoidal interna complementaria 138 con la de la parte de rosca helicoidal 134. Un segundo miembro de embrague 140 puede acoplarse operativamente de manera selectiva a la ranura de embrague 136 a través de una conexión denticular 142. Más específicamente, las caras opuestas o adyacentes de la ranura de embrague 136 y el segundo miembro de embrague 140 están provistas de unos dientes denticulares que transmiten par inclinado engranables entre sí 144 y 146, respectivamente (figura 4). Los dientes denticulares 144 y 146 son un ejemplo no limitante de la diversidad de dientes de sierra para proporcionar una conexión de embrague de rueda libre unidireccional.

El engranaje de piñón 124 se ilustra colocado en el árbol motriz 108 en el segundo extremo 116 inmediatamente adyacente a un lado de salida del conjunto de embrague 126. Más específicamente, el engranaje de piñón 124 está acoplado a o forma parte del segundo miembro de embrague 140. El engranaje de piñón 124 está adaptado para moverse dentro y fuera del engrane con un engranaje anular de motor 150 (figura 7), por ejemplo, a lo largo de la dirección coaxial del árbol motriz 108. El arrancador de turbina de aire 10 se monta en conexión con el motor de turbina 14 de manera que el árbol motriz 108 sea paralelo a los dientes de engranaje y defina el límite periférico del engranaje anular de motor 150.

Un conjunto para mover el engranaje de piñón 124 hacia o lejos del engranaje anular de motor 150 puede incluir un pistón 128, un conjunto de indexación 130 y un solenoide 152. El solenoide 152 puede ser cualquier solenoide adecuado. En el ejemplo ilustrado, el solenoide 152 controla el flujo de aire hacia una abertura 154 acoplada a un extremo cerrado 156 de la segunda carcasa 112. El solenoide 152 también puede controlar el flujo de aire hacia la abertura de válvula 54.

La figura 4 ilustra mejor que la carcasa 30 incluye una pared periférica 160 que define un interior 162 y un exterior 164. El conjunto de salidas 34 se localiza en una sección media de la carcasa a lo largo de la pared periférica 160 después del segundo miembro de turbina 74. En el ejemplo ilustrado, la pared periférica 160 es una pared periférica cilíndrica. La pared periférica puede formarse de cualquier manera adecuada, incluyendo que puede tener un espesor de pared de 2,54 milímetros (0,100 pulgadas). El conjunto de salidas 34 puede abarcar una parte de la circunferencia de la pared periférica, incluyendo que puede abarcar 270 grados o más de la circunferencia. En el ejemplo ilustrado, el conjunto de salidas 34 incluye una pluralidad de salidas o aberturas que están espaciadas circunferencialmente 360 grados aproximadamente de la pared periférica 160. Se ilustra que el conjunto de salidas 34 incluye múltiples filas de salidas, aunque se entenderá que no es necesario que este sea el caso. Las salidas 34 pueden localizarse, disponerse u orientarse en cualquier localización y manera adecuadas. Se ilustra que el conjunto de salidas 34 incluye unos puertos de escape 34a y 34b que varían en tamaño. Tal diferenciación de tamaño puede ser de naturaleza puramente estética o puede utilizarse para cumplir con otros requisitos, tal como el tamaño para crear pequeñas aberturas de escape, el roscado de puertos de tornillo, etc. En el ejemplo ilustrado, se ilustran treinta y dos puertos de escape más grandes 34a y ocho puertos de escape más pequeños 34b. Se contempla que los puertos de escape 34a y 34b puedan ser de cualquier tamaño adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, que los puertos de escape más grandes 34a pueden ser de 15,875 milímetros (5/8 de pulgada) y los puertos de escape más pequeños 34b pueden ser de 11,1125 milímetros (7/16 de pulgada). Se entenderá que, como alternativa, solo pueda incluirse un puerto de escape de un tamaño, que puedan incluirse tamaños adicionales y que pueda incluirse cualquier número de puertos de los distintos tamaños. Las salidas 34 pueden incluir cualquier puerto adecuado para proporcionar una trayectoria de escape de baja resistencia para que el gas salga del arrancador de turbina de aire 10. A modo de ejemplo, se ilustran las salidas redondas 34, aunque pueden utilizarse formas, perfiles y contornos alternativos. Además, se entenderá que cuanto mayor sea el área que cubren las salidas 34, menor será la resistencia para el gas y menor cantidad de contrapresión. Puede medirse la contrapresión entre el rotor de segunda etapa y el escape. Los aspectos de la descripción dan como resultado 1 psig (6894,76 pascales) de presión o menos. Esto es más bajo que los productos heredados que tienen una contrapresión de hasta 10 psig (68947,6 pascales).

La figura 5 ilustra más claramente una pantalla o pantalla de contención 166 dispuesta en relación con la carcasa 30. La pantalla de contención 166 puede localizarse dentro del interior 162 de la carcasa 30 aguas arriba del conjunto de salidas 34. La pantalla de contención 166 puede localizarse próxima al segundo miembro de turbina 74. Más específicamente, puede localizarse cerca del escape del segundo miembro de turbina 74 y axialmente entre el segundo miembro de turbina 74 y el conjunto de salidas 34. Aunque puede montarse de cualquier manera adecuada dentro de la carcasa 30, la pantalla de contención 166 se ha ilustrado montada en un buje de cojinete 168 del cojinete 94, que forma un dispositivo de retención axial adaptado para retener axialmente la pantalla de contención 166 con respecto a la carcasa 30. La pantalla de contención 166 puede extenderse para hacer tope con la pared periférica que forma la carcasa 30. La pantalla de contención 166 puede formarse de cualquier manera adecuada, incluyendo que puede incluir una placa con aberturas 167, una hoja perforada con aberturas 167, o una pantalla de malla con aberturas 167. La pantalla de contención 166 puede estar formada por cualquier material adecuado, incluyendo, pero sin limitarse a, acero inoxidable, y tener unas aberturas de tamaño adecuado y un porcentaje de área abierta. En el ejemplo ilustrado, la pantalla de contención 166 tiene un 60 % de área abierta para proporcionar una mejor contención, pero sin aumentar sustancialmente la contrapresión.

Entre otras cosas, la pantalla de contención 166 en combinación con el conjunto de salidas 34 crean una trayectoria tortuosa para el flujo de gas fuera del arrancador de turbina de aire 10. La pantalla de contención 166 en combinación con el conjunto de salidas 34 y su pequeño tamaño reduce la posibilidad de que salgan chispas, partículas u otros desechos de la carcasa 30. La figura 6 es una vista en sección transversal ampliada de una parte del arrancador de turbina de aire 10 que ilustra una trayectoria tortuosa a modo de ejemplo 170. La creación de dichas trayectorias tortuosas puede ser especialmente ventajosa cuando el metal u otros contaminantes entran en la carcasa a través de la entrada 32. Dichos desechos pueden crear chispas dentro del interior 162 de la carcasa 30 y la inclusión de la pantalla de contención 166 junto con las salidas de diámetro pequeño 34 evita que las chispas salgan de la carcasa 30. La pantalla de contención 166 junto con las salidas de diámetro pequeño 34 también pueden actuar como varias formas de contención mecánica en caso de que falle una parte del arrancador de turbina de aire 10.

La figura 7 es una vista en perspectiva parcialmente recortada del arrancador de turbina de aire e ilustra dimensiones a modo de ejemplo para el arrancador de turbina de aire 10. Por ejemplo, una longitud total (L) del arrancador de turbina de aire 10 puede ser de aproximadamente menos de 50 cm (19,7 pulgadas). Más aún, la longitud del arrancador de turbina de aire 10 desde la superficie de montaje de motor (en 112) hasta el extremo trasero del arrancador en la entrada 32 puede ser de menos de 39 cm (15,33 pulgadas). La extensión de la parte de extremo 122 puede ser de menos de 9,7 cm (3,82 pulgadas). A modo de ejemplo no limitante, el diámetro (H1) del arrancador de turbina de aire 10, que, en general, incluye la altura a excepción del conjunto de entrada 38, la válvula de solenoide 152 y las mangueras/accesorios puede ser igual a menos de 15,63 cm (6,15 pulgadas) incluyendo que la parte cilíndrica de la carcasa 30 puede tener un diámetro de 14,6 cm (5,75 pulgadas) o menos. La altura, incluyendo el conjunto de entrada (H2), puede ser igual a o menos de 17,17 cm (6,76 pulgadas). La altura, incluyendo la válvula de solenoide 152 (H3), puede ser igual a o menos de 23,5 cm (9,25 pulgadas).

La figura 7 también ilustra que los aspectos de la presente descripción incluyen que un puerto de suministro secundario o un puerto de suministro de aire 148 pueden incluirse en el conjunto de entrada 38. Se contempla que el arrancador de turbina de aire 10 pueda cumplir una función o fin doble y también actuar como un punto de suministro de aire presurizado. Más específicamente, el puerto de suministro de aire 148 está acoplado al flujo del gas presurizado en el arrancador de turbina de aire 10 y adaptado para proporcionar un suministro secundario del gas presurizado desde el arrancador de turbina de aire 10. El puerto de suministro de aire 148 puede permitir que un usuario acceda al aire presurizado localizado en el plénum 48 de la carcasa 30, preferiblemente cuando la válvula de entrada 52 está en la posición cerrada. Por ejemplo, en un aspecto no limitante de la descripción, el puerto de suministro de aire 148 puede adaptarse con una interfaz para proporcionar de manera seleccionable un puerto de aire o gas presurizado para otra herramienta o dispositivo neumático. En este sentido, el puerto de suministro de aire 148 puede proporcionar un puerto 148 habilitado para permitir que un usuario u operario reciba o utilice el gas de la fuente presurizada a través del arrancador de turbina de aire 10, sin estructuras de intervención, trayectorias de flujo, conectores, convertidores de interfaz, o similares, adicionales. En un aspecto no limitante de la descripción, el puerto de suministro de aire 148 puede incluir la forma de un puerto ahusado de tubería nacional (NPT) de 1,5875 cm (5/8 de pulgada). Aunque no se ilustra, se entenderá que puede incluirse un tapón en el arrancador de turbina de aire 10 y dicho tapón puede adaptarse para cerrar selectivamente el puerto de suministro secundario 148.

La figura 7 también ilustra la válvula de entrada 52 en una posición abierta. Durante la operación, el solenoide 152 puede controlar un flujo de aire suministrado a la abertura 54, por ejemplo, a través de una tubería (no mostrada). A medida que el aire llena la cavidad 56, la válvula de entrada 52 se impulsa contra el elemento de empuje 60 y la válvula de entrada 52 se mueve a la posición abierta como se muestra en la figura 7. El aire presurizado dirigido al interior del plénum de entrada 48 fluye a continuación a través de la entrada 32 de la carcasa, un canal de flujo 62, y acciona los miembros de turbina primero y segundo 72 y 74 antes de salir de una sección media de la carcasa 30 a través del conjunto de salidas 34. Por lo tanto, cuando la válvula de entrada 52 está en la posición abierta, el aire comprimido puede fluir a través de la válvula de entrada 52 y dentro de la sección de turbina 40. El aire presurizado incide sobre los miembros de turbina primero y segundo 72 y 74 haciendo que roten a una velocidad relativamente alta.

Debido a que se describe que la válvula de entrada se alimenta de aire presurizado, puede considerarse una válvula neumática. Aunque se entenderá que pueden utilizarse mecanismos de válvula y accionadores alternativos. Cuando ya no se suministra aire a la cavidad 56, el elemento de empuje 60 puede volver a su estado sin comprimir y mover la válvula de entrada 52 de nuevo a la posición cerrada (figura 3). Cuando la válvula de entrada 52 está en la posición cerrada, puede evitarse el flujo de aire comprimido a la sección de turbina 40.

Durante una operación normal, cuando se desea arrancar el motor de turbina 14, el engranaje de piñón 124 se desplaza hacia la derecha de manera que el engranaje de piñón 124 se engrane con el engranaje anular de motor 150. Más específicamente, cuando se accionan los miembros de turbina primero y segundo 72 y 74, hacen que rote el árbol de salida 90. El árbol de salida 90 actúa como entrada al tren de engranajes 96, lo que a su vez hace que rote el árbol motriz 108. El par se transmite a través de la ranura 132 desde la parte roscada 134 al conjunto de embrague 126, al engranaje de piñón 124 a través de la conexión denticular, y finalmente al engranaje anular de motor 150.

Cuando el motor 14 se enciende y se vuelve autónomo, el engranaje anular de motor 150 puede impulsar el piñón a una velocidad mayor que la del árbol motriz 108. Los dientes denticulares 144 y 146 se deslizarán de manera que el arrancador de turbina de aire no se accione a altas velocidades de motor.

El arrancador de turbina de aire 10 está diseñado además para proporcionar una función de indexación si el engranaje de piñón 124 hace tope con uno de los dientes del engranaje anular de motor 150 cuando se acciona hacia la derecha para engranarlo. La figura 8 es una vista en sección transversal de una parte del arrancador en un evento diente a diente. Se entenderá que la parte del arrancador de turbina de aire 10 ilustrada en las figuras 8-11A se ilustra con la abertura en la carcasa de extremo 120 en la posición hacia arriba por motivos de claridad.

Cuando se introduce aire a presión en el extremo cerrado 156 de la segunda carcasa 112 a través de la abertura 154, el pistón 128, el conjunto de indexación 130, el conjunto de embrague 126 y el engranaje de piñón 124 se impulsan hacia la carcasa de extremo 120 como indica la flecha 172. Por último, se supone que el engranaje de piñón 124 se engrana con el engranaje anular de motor. Sin embargo, cuando hay un evento diente a diente, el movimiento del engranaje de piñón 124 se obstruye por el tope dentado del engranaje anular de motor 150. Más específicamente, los dientes del engranaje de piñón 124 golpean los dientes del engranaje anular de motor 150. La indexación tiene lugar cuando el engrane entre el engranaje de piñón 124 y el engranaje anular de motor 150 no se logra en el primer intento. Además,

haciendo ahora referencia a la figura 9, debido a la fuerza que actúa sobre el pistón 128 y el conjunto de indexación 130, ilustrada por la flecha 174, un mecanismo interno en el conjunto de indexación 130 rota dentro de la ranura de embrague denticular 136, como ilustra la flecha 176. Aunque el conjunto de indexación 130 puede rotar cualquier cantidad adecuada, se contempla que el conjunto de indexación 130 rote aproximadamente medio diente de piñón. Se entenderá que el engranaje de piñón 124 y la ranura de embrague denticular 136 permanecen estacionarios durante el movimiento de indexación.

Después del evento diente a diente, el pistón 128, el conjunto de indexación 130, el conjunto de embrague 126 y el engranaje de piñón 124 se retraen de la carcasa de extremo 120, como ilustra la flecha 178 en la figura 10. Durante esta retracción, un resorte 180 interno al conjunto de indexación 130 inicia la reindexación del engranaje de piñón 124. La nueva posición del piñón se establece cuando el resorte se descarga durante la retracción. Una vez que el engranaje de piñón 124 rota y alcanza la posición indexada, el resorte 180 tira hacia atrás del conjunto del árbol motriz 108 a la posición completamente retraída y debido a la acción del aire detrás del pistón 128, el árbol motriz 108 se mueve hacia delante una vez más para engranarse al engranaje anular de motor 150. A continuación, se intenta un nuevo engrane con el engranaje de piñón 124 en una nueva posición basada en la indexación. Como se ilustra en la figura 11, el engranaje de piñón 124 puede engranarse correctamente con el engranaje anular de motor 150.

Las ventajas asociadas con el arrancador descrito en la presente memoria incluyen evitar el retroceso no deseado del arrancador para un motor de turbina. Al evitar el retroceso, disminuye el desgaste de las piezas descritas en la presente memoria, en particular, el árbol motriz y el árbol de salida. A su vez, la disminución del desgaste aumenta la vida útil de las piezas. El arrancador que se describe en la presente memoria permite un menor coste de mantenimiento y una fácil reparación. El mecanismo de engranaje de arrancador realiza todas las funciones normales de amortiguación de impactos, indexación, rebasamiento, separación automática de dientes denticulares, etc.

La disposición del conjunto de salidas alrededor de la pared periférica cilíndrica 160 permite 360 grados de escape desde una diversidad de puertos. En arrancadores con menos puertos de escape, el escape está más concentrado y se evita que el arrancador pueda montarse en un lugar u orientación que bloquee u obstruya los puertos. Por el contrario, el conjunto de salidas descrito anteriormente permite flexibilidad en el montaje del arrancador de turbina de aire 10. El arrancador de turbina de aire 10 simplemente necesita acoplarse en varios puntos específicos que incluyan la entrada 32 y el engranaje de piñón 124. Como el conjunto de entrada 38 puede hacerse rotar de cualquier manera siempre que se proporcione un flujo de aire en línea en la entrada 32, esto permite numerosas orientaciones del arrancador de turbina de aire 10.

La presente descripción también permite extraer más potencia de la segunda etapa. En productos heredados, la distribución de potencia es normalmente el 70 % de la potencia proveniente de la primera etapa (una etapa es la combinación de un estátor y un rotor) y solo el 30 % de la segunda etapa. En la presente descripción, la distribución de potencia es 54-46 %. Una combinación de las boquillas aumentadas y un desplazamiento en las boquillas de los estátores permite aumentar la potencia extraída en la segunda etapa.

Un árbol de salida más grande permite la transmisión del par mayor creado por esta mayor extracción de potencia. Más específicamente, la presente descripción también permite un árbol motriz de mayor diámetro 108 utilizado dentro de un engranaje de piñón heredado. A modo de ejemplo no limitante, puede utilizarse un diámetro de 22,225 milímetros (7/8 de pulgada), que es un aumento con respecto a los diámetros de árbol habituales. Un árbol tan grande permite una mayor distribución del par. Pueden incluirse aspectos no limitantes de la descripción en donde pueden utilizarse diámetros de árbol más pequeños (p. ej., más pequeños que un diámetro de 22,225 milímetros, o 7/8 de pulgada). Más aún, se contempla que un engranaje de piñón heredado pueda retroadaptarse ampliando una abertura central en el engranaje de piñón, que está adaptado para recibir un árbol de 19,05 milímetros (3/4 de pulgada) para definir una abertura de mayor tamaño. Una vez agrandado, puede insertarse a continuación un árbol de más de 19,05 milímetros dentro o a través de la abertura de mayor tamaño. La abertura central puede agrandarse de cualquier manera adecuada, incluso mediante perforación o grabado químico.

Además, la rotura de árboles normales que tienen un diámetro de % de pulgada es habitual, ya que los operarios pueden intentar arrancar el arrancador de aire múltiples veces. Por ejemplo, en determinadas circunstancias, el arrancador de aire no arrancará el motor y el operario intentará arrancar el arrancador de aire de nuevo mientras partes del arrancador de aire de aire todavía están girando. La interacción con el engranaje anular estacionario y el árbol motriz reiniciado que tiene un diámetro típico da como resultado un árbol roto que inutiliza el arrancador de aire. El diámetro mayor contemplado en la presente memoria dará como resultado un producto más resistente.

Más aún, los aspectos de la presente descripción incluyen un método para formar un arrancador de turbina de aire que incluye encerrar un miembro de turbina dentro de una pared periférica entre una entrada y un conjunto de salidas para definir una trayectoria de fluido y formar una trayectoria tortuosa entre el miembro de turbina y el exterior de la pared periférica por medio de la disposición de una pantalla de contención entre el miembro de turbina y el conjunto de salidas. La trayectoria tortuosa está dispuesta de tal manera que se retarda la expulsión de un fragmento a través del conjunto de salidas. Esto puede incluir detener o reducir la velocidad de dicho fragmento. Más aún, los aspectos describen que la pantalla localizada dentro del interior puede adaptarse para mitigar la expulsión de partículas encendidas desde el interior de la carcasa. La pantalla y las salidas durante el uso también pueden formar una trayectoria tortuosa para que siga una chispa entre el miembro de turbina y el exterior de la pared periférica.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un arrancador de turbina de aire (10), que comprende:

una carcasa (30);

al menos un miembro de turbina (72, 74) articulado dentro de la carcasa (30);

una caja de engranajes (42) que define al menos parcialmente un interior de caja de engranajes (98) que tiene una cara abierta y donde el interior de caja de engranajes (98) aloja al menos parcialmente un tren de engranajes (96) que está acoplado de manera motriz con el al menos un miembro de turbina (72, 74); un retenedor (100) que tiene un cuerpo que cierra al menos parcialmente la cara abierta, estando el cuerpo configurado para tapar la cara abierta del interior (98) de la caja de engranajes (42); y

un árbol motriz (108) acoplado operativamente con el tren de engranajes (96) y que tiene un extremo de salida; en donde la caja de engranajes (42) está configurada para usar grasa como lubricante, y el retenedor (100) está adaptado para mantener, durante el uso, la grasa dentro del interior de caja de engranajes (98) durante la vida útil de la caja de engranajes (42).

2. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 1, en donde el retenedor (100) incluye una placa (102) que abarca al menos una parte de la cara abierta.

3. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 2, en donde la placa (102) no es plana.

4. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en donde la placa (102) incluye una parte periférica montada entre la carcasa (30) y la caja de engranajes (42).

5. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde la placa (102) incluye una parte central que se extiende hacia la carcasa (30).

6. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 5, en donde la placa (102) incluye una abertura (104) dentro de la parte central.

7. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 6, que comprende además un árbol de salida (90) acoplado operativamente entre el al menos un miembro de turbina (72, 74) y el tren de engranajes (96) y que pasa a través de la abertura (104).

8. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquier reivindicación anterior, en donde el cuerpo incluye además una parte periférica montada en al menos una de la carcasa (30) o la caja de engranajes (42).

9. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquier reivindicación anterior, en donde el cuerpo incluye además una parte periférica montada entre la carcasa (30) y la caja de engranajes (42).

10. El arrancador de turbina de aire (10) de cualquier reivindicación anterior, en donde:

la carcasa (30) tiene una pared periférica (160) que define un interior de carcasa (162) y un exterior (164); y en donde el arrancador de turbina de aire (10) comprende, además:

un árbol de salida (90) que tiene un primer extremo de árbol acoplado operativamente al al menos un miembro de turbina (72, 74) y accionado por el mismo, y un segundo extremo de árbol acoplado operativamente al tren de engranajes (96), estando el árbol de salida (90) adaptado para proporcionar una entrada rotatoria al tren de engranajes (96); y

en donde el cuerpo del retenedor (100) incluye una abertura (104) y el árbol de salida (90) se extiende a través de la abertura (104).

11. El arrancador de turbina de aire (10) de la reivindicación 10, que comprende además grasa dispuesta dentro del interior de caja de engranajes (98).

12. El arrancador de turbina de aire de la reivindicación 10 u 11, en donde el retenedor (100) y el árbol de salida (90) están adaptados de tal manera que se crea un sello estanco a fluidos.