ES2926474T3 - Sistema de propulsión de respiración de aire del vehículo de vuelo con aislador que tiene obstrucción - Google Patents

Sistema de propulsión de respiración de aire del vehículo de vuelo con aislador que tiene obstrucción Download PDF

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Abstract

Un vehículo de vuelo tiene un sistema de propulsión que incluye una entrada de aire, un aislador (o difusor) aguas abajo de la entrada de aire y una cámara de combustión aguas abajo del aislador. El aislador incluye una obstrucción que sobresale hacia adentro desde una pared interna del aislador, hacia el canal de flujo en el que el aire fluye a través del aislador. La obstrucción desvía el flujo a ambos lados de la misma. Aguas abajo de la obstrucción, el flujo a cada lado de la obstrucción se junta nuevamente, lo que lleva a la mezcla del flujo, por ejemplo, incluyendo la mezcla de flujo de capa límite y de baja energía con flujo de alta energía. Esta mezcla de flujo puede hacer que el flujo sea más uniforme a la salida del aislador. Además, la obstrucción puede ayudar a corregir la ubicación de los choques dentro del aislador, proporcionando una mayor longitud de mezcla de flujo en el aislador. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de propulsión de respiración de aire del vehículo de vuelo con aislador que tiene obstrucción
Campo de la invención
La invención se encuentra en el campo de los sistemas de propulsión para vehículos de vuelo tales como aviones, misiles, motores de detonación de impulsos, proyectiles o sistemas de acceso al espacio.
Descripción de la técnica relacionada
Los motores de respiración de aire supersónicos e hipersónicos, tales como los estatorreactores/estatorreactores de combustión supersónica de modo dual, incluyen aisladores. El aislador es típicamente una sección de área constante o de aumento del área ligeramente monótona localizada aguas abajo de una garganta de entrada de aire, entre la entrada y un/una motor/cámara de combustión. Los propósitos del aislador pueden ser separar las fluctuaciones entre las condiciones en la entrada y la cámara de combustión, para proporcionar un perfil de flujo deseado a la cámara de combustión, para reducir los problemas con el reinicio de la entrada y/o la estabilidad de la combustión. El aislador puede además proporcionar un incremento de presión adicional aguas arriba de la cámara de combustión en el aislador cuando la cámara de combustión lo requiera. El aislador debe ejecutar eficientemente lo anterior en todas las condiciones de vuelo requeridas y posiciones del mando de gases en las que operará el vehículo aéreo.
Los aisladores pueden tener sistemas de choque configurados a lo largo de su longitud. El tren de choque que resulta puede crear incrementos de presión que coincidan con los requeridos por la cámara de combustión. Este incremento de presión no debe permitir que las comunicaciones de presión viajen a través de la capa límite del aislador y aguas arriba más allá de la garganta de entrada o permitir que el tren de choque se extienda aguas arriba de la garganta de entrada, lo que potencialmente resulta en que la entrada no arranque. El aislador elimina las interferencias dinámicas entre las fluctuaciones en la entrada o la cámara de combustión que pueden dar como resultado que la entrada no arranque o que el motor se apague o se pare. Dentro del aislador pueden ocurrir fuertes interacciones entre el choque y la capa límite, especialmente en el lado de la carrocería de un vehículo donde la capa límite es más gruesa y tiene un perfil de energía más reducido. Estas fuertes interacciones de choque con las capas límite débiles pueden dar como resultado una alta distorsión del perfil de flujo (flujo másico, número de Mach, presión total, etc.) en la salida del aislador, que será ingerido por el motor y puede reducir la eficiencia de la combustión o provocar la parada del motor/llamas.
El documento US 2008/060361 A1 describe un sistema de inyección en rampa de múltiples alturas, para su uso en un sistema de propulsión supersónico, que comprende una pluralidad de inyectores en rampa de múltiples alturas para introducir de forma variable un combustible en un flujo de aire en una cámara de combustión. En una modalidad, los inyectores en rampa de múltiples alturas comprenden una pluralidad de inyectores altos para alimentar una parte interior del flujo de aire, y una pluralidad de inyectores cortos para alimentar una parte exterior del flujo de aire.
El documento US 2008/092519 A1 describe un piloto para un estatorreactor de combustión supersónica que proporciona un frente de llama cuya llegada a la pared de la cámara de combustión del estatorreactor de combustión supersónica se retrasa, reduciendo de esta manera la carga de calor de la cámara de combustión. Al combinar la inyección de combustible en la corriente con un piloto interior y un anillo exterior pobre (pobre en combustible), la mayor parte de la combustión se limita al centro de la cámara de combustión del estatorreactor de combustión supersónica. Este concepto, denominado "quemado del núcleo", reduce aún más la carga de calor de la cámara de combustión. Uno de tales pilotos es para un estatorreactor de combustión supersónica bidimensional efectivo para propulsar un vehículo. Este piloto incluye una pluralidad de puntales espaciados separados por conductos y un piloto de puntal contenido dentro de cada puntal. Un segundo de tal piloto es para un motor de estatorreactor de combustión supersónica axisimétrico que tiene, en secuencia y en comunicación de fluidos, una entrada de aire, un aislador del estatorreactor de combustión supersónica de orificio abierto y una cámara de combustión del estatorreactor de combustión supersónica. Esta cápsula piloto de cuerpo central incluye un aislador piloto dispuesto entre la entrada de aire y un difusor piloto, el difusor piloto dispuesto entre el aislador piloto y un piloto con el piloto dispuesto entre el difusor piloto y una cámara de combustión piloto. La cápsula piloto tiene simetría de eje alrededor de un eje central del aislador del estatorreactor de combustión supersónica y está sostenida por una pluralidad de puntales que se extienden desde una pared interna del orificio abierto hasta una superficie exterior de la cápsula piloto del cuerpo central.
El documento WO 2017/158857 A1 describe un motor de reacción provisto de una entrada para tomar aire y una cámara de combustión que tiene un puerto de inyección de combustible para inyectar combustible. La cámara de combustión utiliza el aire para quemar el combustible inyectado desde el puerto de inyección de combustible. Entre el puerto de inyección de combustible y el extremo trasero de la entrada, la cámara de combustión tiene una parte de separación que define una trayectoria de flujo de aire, a través de la cual fluye el aire. En la parte de separación está dispuesta una pluralidad de piezas generadoras de turbulencia que hacen que el flujo de aire sea turbulento. Cada una de las partes generadoras de turbulencia incluye un miembro que, al moverse o desaparecer, puede inhibir la turbulencia del flujo de aire. Por lo tanto, se puede evitar una caída en el empuje del motor de reacción resultante de una región de alta presión que llega a la entrada.
Resumen de la invención
La presente invención proporciona, de acuerdo con la reivindicación 1, un vehículo de vuelo que comprende: un fuselaje; y un sistema de propulsión acoplado mecánicamente al fuselaje; en donde el sistema de propulsión incluye: una entrada de aire; un aislador aguas abajo de la entrada de aire; y una cámara de combustión aguas abajo del aislador; en donde, el aire que pasa a través de la entrada de aire y el aislador hacia la cámara de combustión pasa a través de un área de sección transversal mínima en una garganta que está en el límite entre la entrada de aire y el aislador; en donde el aislador incluye una obstrucción que sobresale en la trayectoria de flujo de aire a través del aislador, provocando la obstrucción la desviación del flujo en una dirección perpendicular a la dirección longitudinal a través del aislador, alrededor de la obstrucción; y en donde la obstrucción tiene una forma de cuña que aumenta en ancho en un lado aguas arriba, y otra forma de cuña que disminuye en ancho en un lado aguas abajo.
De acuerdo con una modalidad de la invención, la obstrucción tiene una longitud en dirección longitudinal a lo largo de la cual el aire fluye a través del aislador que es mayor que el ancho de la obstrucción en dirección radial.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción tiene una altura que se extiende más allá del grosor de la capa límite del flujo de aire a través del aislador.
De acuerdo con una modalidad adicional, la altura de la obstrucción es al menos varias veces la altura del grosor de la capa límite.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es al menos el 10 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción tiene una altura máxima que es al menos el 20 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es del 20 %-75 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es del 30 %-50 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es del 20 %-50 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es del 30 %-75 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción tiene una altura máxima que es al menos el 20 % de una extensión máxima (o ancho máximo) del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción tiene una altura máxima que es 20 %-85 %, 40 %-70 %, 40 %-60 %, 20 %-90 %, 20 %-70 %, 20 %-60 %, o 40 %-90 % de una extensión máxima (o ancho máximo) del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción está más cerca de un extremo aguas arriba del aislador que de un extremo aguas abajo del aislador, estando de esta manera más cerca de la entrada de aire que de la cámara de combustión.
De acuerdo con una modalidad adicional, el aislador tiene una pared interna, o límite de flujo/superficie aerodinámica, que define un canal de flujo convexo a través del aislador, introduciendo la obstrucción una concavidad en el canal de flujo.
De acuerdo con una modalidad adicional, la cámara de combustión es un estatorreactor o un estatorreactor de combustión supersónica.
Como alternativa a la modalidad del párrafo anterior, la cámara de combustión incluye una turbina.
De acuerdo con otra modalidad, el motor es un motor supersónico o un motor hipersónico.
Como alternativa a la modalidad del párrafo anterior, el motor es un motor subsónico.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción incluye: una porción aguas arriba con un ancho que aumenta gradualmente en una dirección aguas abajo; y una porción aguas abajo con un ancho que disminuye gradualmente en
la dirección aguas abajo.
De acuerdo con una modalidad adicional de la modalidad del párrafo anterior, la altura de la obstrucción aumenta gradualmente en la dirección aguas abajo hasta que se alcanza una altura máxima.
De acuerdo con una modalidad adicional de la modalidad del párrafo anterior, la altura máxima está en la porción
aguas abajo de la obstrucción.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, la obstrucción es asimétrica
dentro del aislador, desviando el flujo en un solo lado del aislador.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, el aislador define un canal de
flujo que aumenta de área en dirección aguas abajo a lo largo del aislador.
De acuerdo con un aspecto adicional que no forma parte de la invención reivindicada, el aislador define un canal de
flujo cuya área disminuye en dirección aguas abajo a lo largo del aislador.
De acuerdo con una modalidad adicional, la obstrucción está en una porción combada del aislador.
La presente invención proporciona además, de acuerdo con la reivindicación 13, un método para hacer funcionar un sistema de propulsión del vehículo de vuelo, el método que comprende: comprimir el aire que entra en el sistema de propulsión, en una entrada de aire del sistema de propulsión; pasar el aire desde la entrada de aire a través de un aislador del sistema de propulsión, a una cámara de combustión del sistema de propulsión; y usar el aire del aislador para la combustión de combustible en la cámara de combustión; en donde pasar el aire a través del aislador incluye
pasar el aire alrededor de una obstrucción en el aislador, dividiéndose el flujo alrededor de la obstrucción y luego juntándose de nuevo, mezclando de esta manera el flujo; en donde la obstrucción sobresale desde una pared interna
del aislador hacia la trayectoria de flujo de aire a través del aislador; y en donde la obstrucción tiene una forma de cuña
que aumenta en ancho en un lado aguas arriba, y otra forma de cuña que disminuye en ancho en un lado aguas abajo.
Para lograr los fines anteriores y relacionados, la invención comprende las características que se describen a continuación en su totalidad y se señalan particularmente en las reivindicaciones. La siguiente descripción y los dibujos adjuntos exponen en detalle determinadas modalidades ilustrativas de la invención. Sin embargo, estas modalidades son indicativas de algunas de las diversas formas en las que pueden emplearse los principios de la invención. Otros objetos, ventajas y características novedosas de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención cuando se considere junto con los dibujos.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, los cuales no están necesariamente a escala, muestran diversos aspectos de la invención.
La Figura 1 es un diagrama esquemático de un vehículo de vuelo de acuerdo con una modalidad de la presente invención.
La Figura 2 es un diagrama que muestra los componentes de un sistema de propulsión de vehículo de vuelo de la
Figura 1.
La Figura 3 es una vista oblicua de un aislador que puede ser parte del sistema de propulsión de la Figura 2.
La Figura 4 es una vista en planta del aislador de la Figura 3.
La Figura 5 es una vista lateral del aislador de la Figura 3.
La Figura 6 es una vista de extremo del aislador de la Figura 3.
La Figura 7 es una vista en planta que muestra posibles líneas de flujo de flujo a través del aislador de la Fi La Figura 8 es una vista en planta de un aislador de la modalidad de acuerdo con una modalidad alternativa de la invención.
La Figura 9 es una vista lateral del aislador de la Figura 8.
La Figura 10 muestra un primer conjunto de posibles variaciones en la configuración del aislador, de acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención.
La Figura 11 muestra un segundo conjunto de posibles variaciones en la configuración del aislador, de acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención.
La Figura 12 muestra un tercer conjunto de posibles variaciones en la configuración del aislador, de acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención.
La Figura 13 muestra un cuarto conjunto de posibles variaciones en la configuración del aislador, de acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención.
La Figura 14 muestra un quinto conjunto de posibles variaciones en la configuración del aislador, de acuerdo con modalidades alternativas de la presente invención.
Descripción detallada
Un vehículo de vuelo tiene un sistema de propulsión que incluye una entrada de aire, un aislador (o difusor) aguas abajo de la entrada de aire y una cámara de combustión aguas abajo del aislador. El aislador incluye una obstrucción que sobresale hacia dentro desde una pared interna del aislador, hacia el canal de flujo en el que el aire fluye a través del aislador, desde la entrada de aire a la cámara de combustión. La obstrucción puede estar orientada en una dirección longitudinal a lo largo de la cual el flujo pasa a través del aislador, y tiene una altura mayor que varios grosores de la capa límite del flujo. La obstrucción, cuando se coloca en regiones de flujo de baja energía/bajo momento, no permite que se establezca este estado de flujo, sino que desvía el flujo a ambos lados, en una dirección perpendicular a la dirección longitudinal a través del aislador, por ejemplo, en una dirección radial en un aislador de sección transversal redonda. Durante el desvío, el flujo de baja energía se comprime y comienza a mezclarse rápidamente con el flujo de mayor energía adyacente a medida que atraviesa la longitud del aislador. Esta mezcla rápida y la superficie de compresión adicional de la obstrucción aumentan el incremento de presión en el aislador en una distancia más corta, lo que puede permitir que se obtengan presiones más altas en una longitud determinada. El flujo débil de la capa límite se desvía de la línea central y se extiende por la superficie superior y a través de la obstrucción, lo que reduce la capacidad de separación y la fuerza que una interacción de la capa límite de onda de choque es capaz de producir a altas contrapresiones. Esta reducción en el volumen de separación en el aislador puede reducir las oscilaciones de flujo de baja frecuencia y la inestabilidad que se producen en las burbujas de separación en los aisladores, lo que puede mejorar el margen de operabilidad y mejorar aún más el aislamiento entre cualquier entrada y la inestabilidad del motor. Esta disminución en las separaciones también puede mejorar la uniformidad/consistencia del flujo y la estabilidad en los ángulos de deslizamiento lateral, ya que la estructura de flujo/choque no depende de una burbuja de separación a gran escala o una región de flujo de bajo momento. Todavía otro beneficio de la reducción de separación del flujo en el aislador es la posibilidad de que se reduzca la obstrucción del flujo en el aislador durante el arranque de la entrada, lo que puede evitar que el aislador afecte la capacidad de arranque de la entrada con números Mach bajos. La obstrucción también puede crear fuertes vórtices, lo que podría ayudar a mezclar aún más el flujo de baja energía, así como proporcionar una mezcla más fuerte de combustible/aire aguas abajo, en la cámara de combustión. Aguas abajo de la obstrucción, el flujo a cada lado de la obstrucción se junta nuevamente, lo que lleva a una mayor mezcla del flujo, por ejemplo, incluyendo la mezcla del flujo de la capa límite con el flujo fuera de la capa límite y el flujo de baja energía de los lados con un flujo de alta energía del núcleo. Esta mezcla de flujo puede generar un flujo más uniforme y constante a la salida del aislador, donde el flujo avanza hacia la cámara de combustión, lo que podría mejorar la eficiencia de la combustión. Esta mezcla de flujo también puede eliminar la recirculación y las regiones de bajo momento/bajo número de Mach en la salida del aislador que son susceptibles de arrastrar combustible durante la combustión y la posterior combustión en el aislador, lo que es estructuralmente indeseable/potencialmente catastrófico y un modo de combustión ineficiente. Además, la obstrucción puede ayudar a anclar la localización de los choques dentro del aislador, evitando que los choques migren aguas arriba hacia la entrada de aire con contrapresiones más altas de lo que sería posible de cualquier otra manera, y que migren aguas abajo hacia la cámara de combustión con contrapresiones más bajas de lo que sería posible de cualquier otra manera.
La Figura 1 muestra esquemáticamente un vehículo aéreo 10 que se propulsa por un sistema de propulsión 12 que se acopla mecánicamente a un fuselaje 14. El vehículo aéreo 10 puede ser un misil, un motor de detonación de impulsos, un proyectil, un avión no tripulado (un vehículo aéreo no tripulado o UAV), un avión tripulado o un vehículo de acceso al espacio. El vehículo aéreo puede tener cualquiera de una variedad de tamaños y cualquiera de una variedad de condiciones de funcionamiento. En gran parte de la descripción más abajo, el vehículo aéreo 10 se describe en términos de un vehículo aéreo altamente supersónico a hipersónico, con un número de Mach que varía de 4 a 6, o más ampliamente con un número de Mach de 2 a 25. Sin embargo, el vehículo aéreo 10 puede funcionar a velocidades supersónicas más bajas (número de Mach mayor que uno), o incluso a velocidades subsónicas.
El sistema de propulsión 12 puede acoplarse al fuselaje 14 de cualquiera de una variedad formas, incluyendo las partes del sistema de propulsión 12 que se forman integralmente con las partes del fuselaje 14. El fuselaje 14 puede tener cualquiera de una variedad de formas adecuadas y puede incluir componentes adicionales para llevar a cabo una o más funciones del vehículo aéreo 10. Tales componentes adicionales, para dar algunos ejemplos no limitantes, pueden incluir sistemas de control (tal como para la dirección), superficies de control y/o que producen sustentación (tal como alas, aletas o aletas estabilizadoras de proa, ya sea fijas en su posición o móviles en su totalidad o en parte), sistemas de comunicación, sistemas de enfriamiento, sensores u otros sistemas de recogida de datos y/o cualquiera de una variedad de cargas útiles.
Además, con referencia a la Figura 2, el sistema de propulsión 12 incluye una entrada de aire 20, un aislador o difusor 22 y una cámara de combustión o cámara de combustión del motor 24. La entrada de aire 20 toma aire de la corriente de aire libre y comprime el aire, pudiendo producirse uno o más choques a medida que se comprime el flujo. Luego, el aire comprimido sale de la entrada de aire 20 para entrar en el aislador 22. Puede existir una garganta 26, una localización de área mínima en el límite entre la entrada de aire 20 y el aislador 22. El aislador 22 funciona para mantener los choques estables, aísla las fluctuaciones del flujo dinámico entre la entrada y el motor, proporciona los incrementos de presión requeridos y/o proporciona los patrones de flujo deseados en su extremo aguas abajo, donde el aire pasa del aislador 22 a la cámara de combustión 24. En la cámara de combustión 24 se añade el combustible al flujo de aire, se mezcla, se produce la combustión, y el flujo quemado pasa a través de una boquilla 27, y se produce el empuje del sistema de propulsión 12, que se usa para alimentar el vehículo aéreo 10. Los productos de combustión se expulsan desde un extremo aguas abajo de la cámara de combustión 24 a través de la boquilla 27. El sistema de propulsión 12 define por lo tanto una trayectoria de flujo o trayectoria de flujo de propulsión a través de la entrada 20, el aislador 22, la cámara de combustión del motor 24 y la boquilla 27.
La cámara de combustión 24 puede ser cualquiera de una variedad de dispositivos adecuados para quemar una mezcla de combustible-aire o combustible-oxidante, y producir el empuje. Por ejemplo, la cámara de combustión 24 (y/o el sistema de propulsión 12) puede ser un estatorreactor, un estatorreactor de combustión supersónica, un estatorreactor/estatorreactor de combustión supersónica de modo dual, o quizás un reactor de turbina o una combinación de estos como en un sistema de ciclo combinado basado en turbina. En la Figura 2, se muestra la cámara de combustión 24 que tiene una turbina 28, pero en muchas modalidades la cámara de combustión 24 no tiene turbina (u otras partes móviles).
La entrada 20 puede tener cualquiera de una variedad de formas adecuadas, por ejemplo, redonda, elíptica o rectangular o de una compleja variedad tridimensional, de transición de formas y de trazado de líneas de flujo. El aislador 22 puede tener una forma general que haga la transición entre una forma cuadrada, rectangular, trapezoidal o elíptica de la entrada 20 (para proporcionar algunos ejemplos) a una cámara de combustión redonda o de otra forma 24. La entrada 20 y la cámara de combustión 24 pueden estar alineados entre sí, o pueden estar desplazados entre sí y en diferentes orientaciones angulares.
Las Figuras 3-6 muestran detalles adicionales de una modalidad del aislador 22. El aislador 22 tiene una pared interna o límite de flujo 30 que delimita (rodea) un volumen interno o canal de flujo 34 del aislador 22 a través del cual el aire fluye a través del aislador 22. La pared interna o límite de flujo 30 puede tener una forma de sección transversal, perpendicular a la dirección del flujo de aire a través del aislador 22, que es una forma convexa a lo largo de la mayor parte de la longitud del aislador 22. La forma convexa se caracteriza por no tener porciones cóncavas, de modo que es imposible trazar una línea entre dos puntos cualquiera de la sección transversal que pase fuera de la sección transversal. Tal forma convexa puede tener cualquiera de una variedad de formas, incluyendo circular, rectangular y elíptica.
En contraste con la convexidad a través de la mayor parte de la longitud (extensión en la dirección longitudinal) del aislador 22, una obstrucción 40 está localizada en una parte central 42 del aislador 22, entre una porción aguas arriba 44 y una porción aguas abajo 46. La obstrucción 40 se extiende hacia dentro desde la pared interna 30, produciendo una concavidad en la forma de la sección transversal del canal de flujo 34. El aislador 22 se describe en la presente descripción con la obstrucción 40 siendo una estructura montada en la pared interna 30, y con la pared interna 30 definiendo la forma general del canal de flujo 34. Alternativamente, la obstrucción 40 puede ser una parte integral de la pared interna 30, tal como una variación en la forma de la pared del aislador 22. Independientemente de cómo se describa la estructura del aislador, la obstrucción 40 proporciona un cambio en la forma del canal de flujo 34, introduciendo una concavidad en el canal 34 que no está presente aguas arriba y aguas abajo de la obstrucción 40.
La obstrucción 40 tiene una longitud 52 que es mayor que el ancho 56 de la obstrucción 40, y es mayor que la altura 54 de la obstrucción 40. La longitud 52 de la obstrucción 40 puede estar en la dirección axial o longitudinal, la dirección a lo largo de la cual fluye el aire a través del aislador 22. La altura 54 de la obstrucción 40 puede ser la extensión de la obstrucción 40 alejándose de la pared interna 30, por ejemplo, una extensión en dirección radial para un canal circular. El ancho 56 de la obstrucción 40 puede estar en una dirección perpendicular a la altura y la longitud, como en la dirección circunferencial de un canal circular.
La obstrucción 40 puede tener una relación de longitud a altura que puede ser de 20 a 60, o puede ser más amplia de 3 a 100, entendiéndose que cualquier punto final dentro de estos rangos son posibles alternativas, y que los rangos enumerados son solo ejemplos no limitativos. La obstrucción 40 puede tener una relación de largo a ancho que puede ser de 5 a 15, o más ampliamente de 2 a 50, aunque nuevamente cualquier punto final dentro de estos rangos son posibles alternativas, y que los rangos enumerados son solo ejemplos no limitativos. Estas relaciones pueden basarse en la altura o ancho máximo, o en valores medios de altura o ancho.
El aislador 22 tiene una extensión máxima (tal como un ancho máximo) en una localización longitudinal donde la obstrucción 40 tiene una altura máxima. Por ejemplo, si el aislador 22 tiene una sección transversal circular, la extensión máxima sería el diámetro en cualquier localización longitudinal dada. Para un aislador rectangular, la extensión máxima es la distancia entre los lados opuestos del canal definido por la pared interna 30 del aislador 22. La relación de la extensión máxima del aislador en la localización longitudinal de la altura máxima de la obstrucción 40, a la altura máxima de la obstrucción 40, pueden ser valores dados en otra parte de la presente descripción.
La altura de la obstrucción 40 puede ser suficiente para extenderse más allá del flujo de la capa límite a lo largo de la pared interna 30 del aislador 22 y hacia el flujo central a través de la porción principal del canal del aislador. Hacer que la altura de la obstrucción 40 sea mayor que el grosor de la capa límite puede ayudar a mezclar el flujo, con el flujo desde fuera de la capa límite que se mezcla con el flujo en la capa límite, así como el flujo de bajo momento que se mezcla con el flujo de mayor momento. Esto puede resultar en un flujo más uniforme a la salida del aislador 22, donde el flujo de aire se mueve a la cámara de combustión 24 (Figura 2).
Además, con referencia ahora también a la Figura 7, la desviación del flujo lateralmente (en la dirección del ancho de la obstrucción 40) también da como resultado una mayor mezcla del flujo, como se ilustra con las líneas de flujo 66 y 68. El flujo se aleja de la obstrucción 40 a cada lado de la obstrucción 40 a medida que la obstrucción 40 aumenta de ancho, en el lado aguas arriba de la obstrucción 40. Esta separación del flujo es en dirección circunferencial para flujos a través de una sección transversal circular, y más generalmente es en la dirección del ancho de la obstrucción 40, perpendicular a la longitud (extensión longitudinal o extensión en la dirección general del flujo de aire a través del aislador 22) de la obstrucción 40, además de ser perpendicular a la altura (extensión radial o extensión desde la pared interna 30) de la obstrucción 40. En el lado aguas abajo de la obstrucción 40, donde el ancho de la obstrucción disminuye (o alternativamente, en un ejemplo no reivindicado, termina abruptamente), el aire fluye hacia la obstrucción 40 desde ambos lados. Justo aguas abajo de la obstrucción 40, este flujo de entrada desde ambos lados se mezcla. Esto puede resultar en una mezcla adicional entre el flujo de la capa límite y el flujo fuera de la capa límite. También se produce la mezcla del flujo de baja energía que se desvió alrededor de la obstrucción con el flujo central de alta energía que permaneció en el centro del conducto. Nuevamente, el resultado puede ser un flujo más uniforme, particularmente en la parte del canal de flujo 34 aguas abajo de donde se localiza la obstrucción 40. El flujo más uniforme que puede producirse debido a la presencia de la obstrucción 40 puede ofrecer muchas ventajas al sistema de propulsión 12, entre ellas una o más de empuje mejorado (aceleración aumentada), eficiencia de combustible mejorada, peso y/o volumen reducido, previsibilidad aumentada en la operación que puede reducir el desarrollo y las pruebas de nuevos motores, y/o reducir o aliviar el riesgo de que el aislador se queme.
Adaptando el flujo mediante el uso de la obstrucción 40, para que el flujo que sale del aislador 22 sea más uniforme, se puede mejorar el rendimiento del sistema de propulsión 12 (Figura 1). Un perfil de flujo distorsionado (flujo no uniforme a la salida del aislador 22) reduce la eficiencia de la combustión en gran parte de la envolvente de vuelo, por ejemplo, disminuyendo el alcance del vehículo de vuelo y/o la capacidad de aceleración. Además, los flujos distorsionados (no uniformes) a menudo tienen regiones de flujo de bajo momento, lo que aumenta la posibilidad de que el aislador se queme, puede causar un calentamiento no uniforme de la cámara de combustión y/o puede limitar severamente la capacidad de llevar a cabo pruebas de tierra relevantes y asequibles prueba de rendimiento del motor. La obstrucción 40 puede aliviar o eliminar algunos o todos estos problemas/desventajas.
La obstrucción 40 tiene una forma de cuña que aumenta de ancho en el lado aguas arriba 69 de la obstrucción 40, y otra forma de cuña de ancho decreciente en el lado aguas abajo 70 de la obstrucción 40. Estas cuñas pueden tener una pendiente constante, o pueden tener cambios en la pendiente, por ejemplo, tener una variación en la pendiente para una transición suave desde la cuña del lado aguas arriba a la cuña del lado aguas abajo. La altura de la obstrucción 40 puede ser constante a lo largo de la obstrucción 40 o, alternativamente, puede variar a lo largo de la longitud. En la modalidad ilustrada, la altura máxima está en la parte trasera (aguas abajo) o en el lado de la obstrucción 40.
La obstrucción 40 se ha descrito anteriormente como alineada con el flujo, con la longitud de la obstrucción 40 a lo largo de la misma dirección general que el flujo fluye a través del canal de flujo 34. Alternativamente, la obstrucción 40 puede alinearse de forma diferente a la paralela a la dirección del flujo, aunque tener la obstrucción 40 no paralela al flujo que está muy por encima de la altura de la capa límite puede aumentar la falta de uniformidad del flujo de salida del aislador, puede reducir la operabilidad, puede reducir la consistencia del flujo en regímenes de vuelo grandes, puede reducir la capacidad máxima de incremento de presión y/o puede afectar el flujo de otras formas no deseadas.
Puede haber una sola obstrucción 40, como se muestra en la modalidad ilustrada. La obstrucción 40 puede localizarse a lo largo de la pared interna 30 para promover el anclaje de choque, la mezcla de flujo, las interacciones de capa límite de onda de choque de fuerza reducida y aumentar el enrollamiento de vórtice en una parte seleccionada del aislador 22, tal como en la porción superior del aislador 22, como en la modalidad ilustrada. La porción del aislador 22 donde se coloca la obstrucción 40 puede estar en función de qué tipo de perfil de flujo de aire se espera en el extremo aguas abajo del aislador 22 en ausencia de la obstrucción 40. Esto, a su vez, puede estar en función de la configuración del cuerpo de proa 14 (Figura 1) y la entrada de aire 20 (Figura 1), los cuales afectan el perfil de flujo que entra al aislador y el posterior posicionamiento y forma de la obstrucción 40. El rango de condiciones operativas esperadas para el sistema de propulsión 12 (Figura 1) también afecta el tamaño/posicionamiento ya que estos factores, tales como el número de Mach, la altitud (densidad del aire de flujo libre), el ángulo de ataque, el deslizamiento lateral y/o el ajuste del acelerador cambian la estructura de flujo que entra al aislador y/o los fenómenos de flujo presentes en el interior del aislador.
La obstrucción 40 también puede ayudar a prevenir el movimiento no deseado de los choques dentro del aislador 22, lo que ayuda a anclar los golpes dentro del aislador 22. Hacia ese extremo, la obstrucción 40 puede estar en una mitad aguas arriba del aislador 22 y puede permitir que el sistema de choque permanezca anclado en el aislador a contrapresiones más altas de lo que sería posible de cualquier otra manera antes de que el sistema de choque sea expulsado aguas arriba, adelante de la garganta de entrada.
Como alternativa, puede haber múltiples obstrucciones localizadas en el aislador. Las múltiples obstrucciones pueden estar en diferentes localizaciones longitudinales o en la misma localización longitudinal. Los diferentes choques pueden estar compensados entre sí en una dirección circunferencial o en otra dirección a lo largo de la pared interna del aislador, o pueden estar en la misma localización circunferencial (o localización análoga a una localización circunferencial) con respecto a la pared interna del aislador. Dependiendo del perfil de flujo que entra al aislador desde la entrada, el uso de obstrucciones múltiples puede mejorar aún más la mezcla de flujo dentro del aislador en general y/o mejorar la mezcla de flujo en ciertas partes del canal de flujo, tal como donde hay un flujo de momento relativamente bajo, una capa límite relativamente grande y/o la posibilidad de recirculaciones de flujo para ciertas condiciones de operación.
La obstrucción 40 puede mejorar la capacidad del sistema de propulsión 12 (Figura 1) para funcionar en una gama más amplia de condiciones operativas (números de Mach, posiciones del mando de gases, altitudes, ángulos de deslizamiento lateral y/o ángulos de ataque). Con ese fin, la obstrucción 40 puede aumentar la capacidad de contrapresión del motor 12, así como la eficiencia de la combustión, lo que puede aumentar el rango de aceleración y/o la capacidad de aceleración de un motor 12 dado, y puede mejorar el margen de operatividad del sistema de propulsión 12. Dependiendo de la condición de vuelo del vehículo, se puede lograr una mayor capacidad de contrapresión con posiciones del mando de gases antes de que se produzca el reinicio de entrada y, por lo tanto, una mayor capacidad de empuje/aceleración en una condición de vuelo determinada. Para un estatorreactor/estatorreactor de combustión supersónica de modo dual, esto generalmente ocurre en el número de Mach operativo más bajo, ya que el motor exige un incremento de presión muy alto que es difícil de producir para el aislador debido a muchos factores. Esta mayor capacidad de contrapresión también puede permitir la operación a números de Mach aún más bajos para una posición del mando de gases determinada, suponiendo que la entrada pueda comenzar. Una mezcla de flujo mejorada puede mejorar la eficiencia de la combustión debido a una mejor mezcla de aire/combustible y un número de Mach promedio reducido de la mayoría del flujo del núcleo y, por lo tanto, un tiempo de residencia (combustión) más prolongado para el flujo en la cámara de combustión. Un aumento en la eficiencia de la combustión es directamente responsable del aumento del empuje y la disminución del consumo específico de combustible (mayor eficiencia del combustible). Tales características pueden permitir una reducción en el tamaño del motor, produciendo ahorros en peso, integración/embalaje del vehículo y/o costo. La obstrucción 40 también puede ayudar a evitar el problema de que el aislador se queme, donde las recirculaciones de flujo en el aislador pueden arrastrar combustible de la cámara de combustión que puede arder en el aislador y producir puntos calientes o regiones calentadas dentro del aislador 22 que posiblemente pueden causar daños al aislador 22.
El aislador 22 tiene una forma ahusada, reduciéndose desde un extremo aguas arriba relativamente ancho 72 a un extremo aguas abajo relativamente estrecho 74. La reducción del ancho puede producirse con una pendiente constante, aunque son posibles otras formas.
Las Figuras 8 y 9 muestran un aislador alternativo 122, que tiene una obstrucción 140 que está en una región o porción central relativamente ancha combada 150. La región o porción central 150 puede ser más ancha, o puede ser mayor en al menos una extensión, que tanto las regiones aguas arriba como aguas abajo del aislador 122. La porción combada 150 puede proporcionar ventajas adicionales en el aislador 122, ayudando a mezclar el flujo y/o anclar los choques dentro del aislador 122. En otros aspectos, el aislador 122 puede ser similar al aislador 22.
Se apreciará que el aislador y la obstrucción pueden tener una amplia variedad de configuraciones diferentes a las de las modalidades ilustradas. Las Figuras 10-14 muestran muchos posibles tipos alternativos de configuraciones. La Figura 10 muestra configuraciones posibles de localización de obstrucción, en relación con una dirección de flujo 200. El aislador 210 es un aislador de la técnica anterior, sin ninguna obstrucción. Los aisladores 212-218 son aisladores de relación de aspecto moderada, con obstrucciones en varios lugares. El aislador 212 tiene una obstrucción estándar localizada en el centro. El aislador 214 tiene una obstrucción estándar localizada en un extremo delantero (aguas arriba). El aislador 216 tiene una obstrucción estándar localizada en un extremo de popa (aguas abajo, posterior). El aislador 218 tiene una obstrucción con un extremo aguas abajo romo.
La Figura 11 muestra algunas posibles formas de obstrucción, con una dirección de flujo 220 mostrada. El aislador 230 es un aislador de la técnica anterior, sin ninguna obstrucción. Los aisladores 232-238 son aisladores de entrada de relación de aspecto moderado, con obstrucciones en varias formas. El aislador 232 tiene una obstrucción relativamente ancha. El aislador 234 tiene una obstrucción alta (elevada), que se extiende más hacia dentro del canal de flujo. El aislador 236 tiene una obstrucción relativamente larga. El aislador 238 tiene una obstrucción con forma facetada.
La Figura 12 muestra más formas posibles de obstrucción, con una dirección de flujo 240 mostrada. El aislador 250 es un aislador de la técnica anterior, sin ninguna obstrucción. Los aisladores 252-258 son aisladores con las obstrucciones en varias formas. El aislador 252 tiene una entrada cilíndrica, con una obstrucción de forma estándar. El aislador 254 tiene un borde delantero alto (elevado) para su obstrucción, extendiéndose el borde delantero más adentro del canal de flujo. El aislador 256 tiene una obstrucción con un borde delantero romo. El aislador 258 tiene una obstrucción pequeña.
La Figura 13 muestra más configuraciones posibles de aislador/obstrucción, con una dirección de flujo 260 mostrada. El aislador 270 es un aislador de la técnica anterior, sin ninguna obstrucción. Los aisladores 272-278 muestran varias configuraciones de aislador/obstrucción. El aislador 272 tiene una entrada de alta relación de aspecto, con una obstrucción estándar. El aislador 274 tiene una entrada cilíndrica, con una obstrucción estándar. El aislador 276 tiene forma de curva en S. El aislador 278 tiene una forma combada.
La Figura 14 muestra posibles configuraciones con múltiples obstrucciones, con una dirección de flujo 280 mostrada.
El aislador 290 es un aislador de la técnica anterior, sin ninguna obstrucción. Los aisladores 292-296 tienen varios tipos de obstrucciones múltiples. El aislador 292 tiene obstrucciones separadas radialmente. El aislador 294 tiene obstrucciones que están separadas tanto radial como axialmente. El aislador 296 tiene obstrucciones que son asimétricas, con una segunda obstrucción desplazada radialmente 90 grados desde la obstrucción que se muestra en la parte superior del aislador 296.
Aunque la invención se mostró y describió con respecto a una determinada modalidad o modalidades preferidas, es obvio que a otros expertos en la técnica se les ocurrirán alteraciones y modificaciones equivalentes tras la lectura y comprensión de esta especificación y los dibujos adjuntos. En particular, con respecto a las diversas funciones que realizan los elementos descritos anteriormente (componentes, conjuntos, dispositivos, composiciones, etc.), los términos (que incluyen una referencia a un "medio") que se usan para describir tales elementos se prevé que correspondan, a menos que se indique de cualquier otra manera, a cualquier elemento que realice la función especificada del elemento descrito (es decir, que sea funcionalmente equivalente), aunque no sea estructuralmente equivalente a la estructura descrita que realiza la función en la modalidad o modalidades ilustrativas ilustradas en la presente descripción, en la medida en que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un vehículo de vuelo (10) que comprende:
un fuselaje (14); y
un sistema de propulsión (12) mecánicamente acoplado al fuselaje;
en donde el sistema de propulsión incluye:
una entrada de aire (20);
un aislador (22) aguas abajo de la entrada de aire; y
una cámara de combustión (24) aguas abajo del aislador;
en donde el aire que pasa a través de la entrada de aire y a través del aislador a la cámara de combustión pasa a través de un área mínima de sección transversal en una garganta (26) que está en el límite entre la entrada de aire y el aislador;
en donde el aislador incluye una obstrucción (40) que sobresale de una pared interna (30) del aislador hacia la trayectoria de flujo de aire a través del aislador, provocando la obstrucción la desviación del flujo en una dirección perpendicular a la dirección longitudinal a través del aislador, alrededor de la obstrucción; y en donde la obstrucción tiene una forma de cuña que aumenta en ancho en un lado aguas arriba (69), y otra forma de cuña que disminuye en ancho en un lado aguas abajo (70).
2. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, en donde la obstrucción tiene una longitud (52) en una dirección longitudinal a lo largo de la cual el aire fluye a través del aislador que es mayor que el ancho (56) de la obstrucción en la dirección radial.
3. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde la obstrucción tiene una altura (54) que se extiende más allá del grosor de la capa límite del flujo de aire a través del aislador.
4. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la obstrucción tiene una altura máxima que es al menos el 20 % de la altura del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
5. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la obstrucción tiene una altura máxima que es al menos el 20 % de una extensión máxima del aislador en una localización longitudinal de la altura máxima.
6. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la obstrucción está más cerca de un extremo aguas arriba (72) del aislador que de un extremo aguas abajo (74) del aislador, de manera que está más cerca de la entrada de aire que de la cámara de combustión.
7. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la pared interna define un canal de flujo convexo (34) a través del aislador, con la obstrucción que introduce una concavidad en el canal de flujo.
8. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la cámara de combustión es un estatorreactor o un estatorreactor de combustión supersónica; o
en donde el sistema de propulsión incluye una turbina.
9. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el sistema de propulsión es un motor supersónico o un motor hipersónico; o
en donde el sistema de propulsión es un motor subsónico.
10. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la obstrucción incluye:
una porción aguas arriba con un ancho que aumenta gradualmente en una dirección aguas abajo; y una porción aguas abajo con un ancho que disminuye gradualmente en la dirección aguas abajo.
11. El vehículo de vuelo de la reivindicación 10, en donde la altura de la obstrucción aumenta gradualmente en la dirección aguas abajo hasta que se alcanza una altura máxima; y
preferentemente, en donde la altura máxima está en la porción aguas abajo de la obstrucción.
12. El vehículo de vuelo de la reivindicación 1, o de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde la obstrucción está en una porción combada (32) del aislador.
13. Un método para operar un sistema de propulsión del vehículo de vuelo (12), el método que comprende:
comprimir el aire que entra al sistema de propulsión, en una entrada de aire (20) del sistema de propulsión; pasar el aire desde la entrada de aire a través de un aislador (22) del sistema de propulsión, a una cámara de combustión (24) del sistema de propulsión; y
usar el aire del aislador para la combustión del combustible en la cámara de combustión;
en donde pasar el aire a través del aislador incluye pasar el aire alrededor de una obstrucción (40) en el aislador, dividiéndose el flujo alrededor de la obstrucción y luego juntándose de nuevo, mezclando de esta manera el flujo;
en donde la obstrucción sobresale desde una pared interna (30) del aislador hacia la trayectoria de flujo de aire a través del aislador; y
en donde la obstrucción tiene una forma de cuña que aumenta en ancho en un lado aguas arriba (69), y otra forma de cuña que disminuye en ancho en un lado aguas abajo (70).
14. El método de la reivindicación 13, en donde el paso del aire alrededor de la obstrucción aumenta la fuerza del vórtice dentro del flujo.
15. El método de la reivindicación 13 o la reivindicación 14, en donde el paso del aire alrededor de la obstrucción reduce las separaciones y/o recirculaciones del flujo y las regiones de flujo de bajo momento dentro del flujo; y/o en donde el paso del aire alrededor de la obstrucción ayuda a anclar uno o más choques dentro del aislador.
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