ES2932348T3 - Turbomáquina para una aeronave - Google Patents

Abstract

La presente invención proporciona una turbomaquinaria multifuncional que puede continuar suministrando energía a los equipos de la aeronave incluso en situaciones de emergencia, en las que las fuentes propulsoras u otras fuentes de energía han fallado. La turbomaquinaria comprende un eje común seccionado en partes, comprendiendo además la turbomaquinaria: una sección propulsora, una unidad de potencia configurada para accionar la turbomaquinaria y una sección de conversión de potencia accionable por la sección propulsora o por la unidad de potencia. Estas secciones son unidas por unos primeros y segundos medios de acoplamiento de tal manera que cuando ambos primeros y segundos medios de acoplamiento acoplan sus respectivas partes de eje, la turbomaquinaria actúa como un motor turbohélice. Más, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Turbomáquina para una aeronave

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo de los motores de aeronaves y, en particular, pertenece al campo de las turbomáquinas multifuncionales a ser usadas o bien como motor turbohélice, o bien como fuente de generación de energía para el suministro de equipos de aeronave.

En particular, un objeto de la presente invención es proporcionar una turbomáquina multifuncional que pueda continuar suministrando energía a los equipos de aeronave incluso en situaciones de emergencia, en las que hayan fallado las fuentes propulsoras u otras fuentes de energía.

Antecedentes de la invención

Las aeronaves existentes incluyen típicamente uno o más motores primarios para la propulsión, cuyo tipo puede variar dependiendo del régimen de vuelo previsto de la aeronave (principalmente dependiente tanto del Mach de vuelo como de la altitud). Por ejemplo, los motores turbohélice, es decir, una variante de un motor a reacción que se ha optimizado para accionar una hélice, están diseñados para volar a una velocidad subsónica (es decir, menor que Mach 1) dado que es probable alcanzar la velocidad sónica en la punta de hélice debido a su velocidad de rotación más alta mucho antes que en cualquier otra parte de rotación del motor y, de este modo, desequilibrar el rendimiento del motor.

En particular, las aeronaves que montan motores turbohélice son de especial interés en un régimen de vuelo de velocidad de vuelo más baja (es decir, menor que Mach 0,6), en el que llegan a ser muy eficientes en términos de quemar menos combustible por asiento-milla y requerir significativamente menos pista para despegar y aterrizar en comparación con una aeronave alimentada por turborreactor o turboventilador del mismo tamaño.

Estas ventajas hacen que los motores turbohélice sean usados en distancias relativamente cortas que son una opción común para la mayoría de las aeronaves de cercanías, en las que los beneficios de coste y rendimiento compensan la velocidad más baja mencionada anteriormente.

Desafortunadamente, estas aeronaves de cercanías tienen un espacio (y peso) reducido, siendo un objetivo actual maximizar el número de asientos disponibles o el volumen de carga.

Con respecto al motor turbohélice per se, usa los mismos principios que un turborreactor para producir energía, es decir, incorpora una unidad de potencia que a su vez acciona una hélice mediante un eje de potencia. La principal diferencia entre el turbohélice y un turborreactor convencional es que se han incorporado en el diseño turbinas adicionales en la unidad de potencia, un eje de potencia y, opcionalmente, una caja de cambios reductora para accionar la hélice mencionada.

La caja de cambios o sección de conexión se puede accionar o bien por las mismas turbinas y eje que acciona el compresor del motor, enlazando mecánicamente la hélice y el motor; o las turbinas pueden estar separadas con la turbina de potencia que acciona un eje concéntrico aislado mecánicamente para accionar la caja de cambios (llamadas 'turbinas de potencia libre'). En cualquier caso, las turbinas extraen casi toda la energía de la corriente de escape usando algo de ella para alimentar el compresor del motor y el resto para accionar la hélice.

Las aeronaves también pueden incluir al menos una Unidad de Potencia Auxiliar (esto es, 'APU'), que se usa para proporcionar potencia a la aeronave cuando los motores -propulsores- primarios no están funcionando, por ejemplo, - en el extremo en tierra, permite que la aeronave opere de manera autónoma sin depender de equipos de apoyo en tierra; y

- en el extremo aéreo, también se puede usar como fuente de purga de aire para asistencia de arranque para volver a encender un motor en vuelo o para alimentar los paquetes de aire acondicionado en caso una condición de apagado de motor u otras situaciones de emergencia menores.

En condiciones de vuelo normales, la APU proporciona energía eléctrica a los sistemas de aeronave así como purga de aire para aire acondicionado y para arranque de motor.

Aparte de la APU, las aeronaves típicas incorporan un pequeño molino de viento desplegable (Turbina de Aire de Impacto, comúnmente conocida por el acrónimo 'RAT') destinado a ser desplegado y usado como fuente de energía alternativa o de emergencia para la aeronave (hidráulica o eléctrica) en caso de emergencia. Estas situaciones de emergencia incluyen la pérdida de fuentes de energía tanto primaria como auxiliar, en las que la RAT alimentará sistemas vitales sistemas tales como: controles de vuelo, hidráulica vinculada e instrumentación crítica de vuelo; generar potencia a partir de la corriente de aire mediante la presión dinámica, debida a la velocidad de la aeronave.

En condiciones normales (es decir, sin una situación de emergencia), la RAT está estibada en un compartimento en el fuselaje (o el ala), siendo desplegada de manera manual o automática después de una pérdida completa de potencia de AC. Sin embargo, este cambio de arquitectura no es instantáneo y requiere baterías adicionales para alimentar la instrumentación esencial durante el intervalo entre la pérdida de energía y el despliegue de RAT.

La práctica actual conoce la existencia de una APU y RAT convencionales como sistemas completamente separados colocados en partes separadas respectivas de la aeronave. Mientras que la APU proporciona energía auxiliar, la RAT se usa como fuente de energía de emergencia.

Por consiguiente, el sistema de APU, el sistema de RAT (cuando está estibado) y equipos adicionales, tales como las baterías, todos juntos representan un espacio considerable a ser ocupado una vez instalado y, de este modo, su impacto en la disposición final de la aeronave se tiene que planear con cautela con el fin de no afectar ni a la eficiencia de los sistemas ni al volumen útil de la aeronave.

Además, el impacto de este espacio considerable a ser dejado, exclusivamente dedicado a estos sistemas, se enfatiza en la mayoría de aeronaves de cercanías o regionales, tales como aeronaves turbohélice, debido a su reducido espacio disponible en comparación con las aeronaves de fuselaje estrecho/ancho o incluso de un solo pasillo.

El documento US 2018/163558 A1 describe un sistema de propulsión que incluye un propulsor que tiene un eje de transmisión, una máquina eléctrica acoplada al eje de transmisión del propulsor y un motor de combustión que tiene un eje de salida. El sistema de propulsión incluye adicionalmente un embrague unidireccional operable con al menos uno del eje de transmisión del propulsor y el eje de salida del motor de combustión.

El documento EP 2977314 A1 describe una unidad de generación de potencia para generar energía eléctrica dentro de un marco de referencia giratorio que incluye un generador y un conjunto de engranajes.

El documento EP 2995555 A1 describe un sistema de propulsión y métodos relacionados. El documento DE102013209538A1 describe una unidad híbrida para una aeronave accionada por motor.

Compendio de la invención

La presente invención proporciona una solución a los problemas antes mencionados, mediante una turbomáquina para una aeronave según la reivindicación 1, una aeronave según la reivindicación 13 y un método para continuar accionando una sección de conversión de potencia de la turbomáquina según la reivindicación 14.

En las reivindicaciones dependientes, se definen realizaciones preferidas de la invención.

A lo largo de todo este documento, 'turbomáquina' se entenderá como una máquina que transfiere energía entre un rotor y un fluido. En particular, la turbomáquina según la invención actúa como motor turbohélice por defecto (es decir, durante la operación normal de la aeronave).

Se ha de señalar que, para cumplir el requisito de que la turbomáquina según la invención puede 'actuar como un motor turbohélice' por defecto, la sección de propulsión necesita orientarse hacia la corriente de aire (es decir, estar expuesta a la corriente de aire entrante). Por consiguiente, la sección de propulsión no es desplegable ni está estibada según se necesite.

En este sentido, si la 'turbomáquina actúa como turbohélice', se sacrifica una fracción del empuje de escape de la unidad de potencia en favor de la potencia del eje, que se obtiene extrayendo potencia adicional (hasta la necesaria para accionar el compresor) de la expansión de turbina.

Dado que una fracción del empuje de escape se transfiere a la sección de propulsión, el escape típicamente produce alrededor del o menos que el 10% del empuje total; en donde una proporción más alta del empuje proviene de la hélice a bajas velocidades y menos a velocidades más altas (principalmente regido por la 'relación de derivación' que varía hasta 50-100).

A diferencia de un turbohélice convencional, la conversión de potencia también se puede accionar por la sección de propulsión; es decir, debido a la exposición a la corriente de aire de dicha sección de propulsión, se fuerza e induce la rotación sobre la primera parte del eje que a su vez acciona la sección de conversión de potencia. En otras palabras, la potencia para accionar la conversión de potencia se puede invertir de dirección.

Por lo tanto, la sección de propulsión de la invención está configurada para actuar tanto como:

i. un molino de viento que genera suficiente potencia en el eje a velocidades aerodinámicas relativamente bajas (es decir, descenso o planeo en situaciones de emergencia), como

ii. una etapa de compresión abierta para proporcionar empuje según una hélice convencional de un turbohélice.

Se notará por un experto en la técnica que una sección de propulsión que actúa como un molino de viento o como una etapa de compresión abierta difiere significativamente en el diseño. Particularmente, dado que los molinos de viento convencionales producen una resistencia al avance excesiva a alta velocidad, un experto en la técnica se desanimará a usar la misma hélice en función dual, dado que llegan a ser ineficientes en una situación de trabajo no prevista.

Sin embargo, se ha observado sorprendentemente que diseñar las hélices en una solución de compromiso entre esas 2 posiciones diferentes, hace que la turbomáquina sea completamente operativa. Preferiblemente, las hélices se han de diseñar prevaleciendo las características de la etapa de compresión sobre las del molino de viento.

Como se trató brevemente, la 'sección de conversión' asociada al eje intermedio es accionable o bien por la sección de propulsión o bien por la unidad de potencia. En caso de que la unidad de potencia sea una turbina de gas y accione la sección de conversión (como lo hace un turbohélice convencional), el eje común puede ser integral con el que también acciona el compresor del motor; o las turbinas pueden estar separadas en una configuración de 'turbina de potencia libre'.

En este sentido, el eje se coloca longitudinalmente dentro de la turbomáquina.

Por lo tanto, cada uno de los tres componentes básicos de la turbomáquina está asociado a una de estas partes de eje con el fin de rotar conjuntamente sobre un eje longitudinal de la turbomáquina.

Además, la sección de conversión de potencia está configurada para convertir la energía extraída de la parte del eje intermedia en otra forma adecuada, por ejemplo, eléctrica, hidráulica o neumática. Esta energía convertida energizará los equipos de la aeronave según sea necesario.

Teniendo en consideración todas las características anteriores, la presente invención proporciona ventajosamente una única turbomáquina que unifica tanto la función propulsora como la función de generación de potencia en caso de emergencia. La conmutación de una función a la otra se produce mediante un simple mecanismo de medio de acoplamiento que es fácil de manejar, simple y económico.

Por consiguiente, el inconveniente del espacio reducido en las aeronaves de cercanías se disminuye drásticamente dado que la APU y la RAT se pueden unificar en la misma turbomáquina dentro de esta invención. Además, la RAT convencional se sustituye por una sección de hélice colocada fuera de la aeronave en lugar de estibada, y que ayuda a la APU convencional (unidad de potencia en la presente invención) a actuar conjuntamente como motor turbohélice.

Además, un experto en la técnica reconocerá que la presente turbomáquina puede sustituir o bien al turbohélice actual o bien ser instalada como una turbomáquina adicional en una aeronave que ya tiene una.

En este último escenario, se ha de señalar que las APU actuales tienen una configuración y un comportamiento similares a la mayoría de las unidades de potencia de un turbohélice. Por lo tanto, incluso en el caso de que una aeronave ya comprenda una APU, se puede reconfigurar para actuar como una turbomáquina según la presente invención, lo que proporciona ventajas tales como empuje sobrante, y equipos de seguridad redundantes para continuar generando potencia a la aeronave en caso de emergencia.

En una realización preferida, la unidad de potencia de la turbomáquina es una turbina de gas.

Aunque la unidad de potencia más común que se encuentra hoy en día en las aeronaves es una turbina de gas; opcionalmente, se pueden prever otros motores alternativos para accionar la turbomáquina, como motores de hélice, por ejemplo. Sin embargo, los motores de hélice pierden eficiencia a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, por lo que los motores turbohélice permiten aeronaves de velocidades más altas hasta Mach 0,6 - 0,7, y también altitudes de vuelo más altas.

También, con la llegada de las aeronaves totalmente eléctricas, la unidad de potencia según la invención puede ser baterías asociadas a la segunda parte del eje para accionarlo.

Ventajosamente, las turbinas de gas son bien conocidas debido a su alta relación empuje-volumen, en comparación con los motores alternativos convencionales. Por lo tanto, esta realización tiene como objetivo la maximización del volumen disponible para pasajeros o carga dentro de una aeronave en particular.

En una realización particular, la turbomáquina está configurada para operar en una de al menos tres configuraciones:

- un 'modo de turbohélice' cuando ambos medios de acoplamiento están acoplando sus partes de eje respectivas, la turbomáquina que actúa como un motor turbohélice;

- un 'modo de Turbina de Aire de Impacto' desacoplando el segundo medio de acoplamiento, la sección de propulsión que actúa como un molino de viento que acciona la sección de conversión de potencia; y

- un 'modo de Unidad de Potencia Auxiliar' de una aeronave desacoplando el primer medio de acoplamiento, la unidad de potencia que acciona la sección de conversión de potencia.

Como ya se mencionó, la potencia para accionar la conversión de potencia se puede revertir dinámicamente de dirección, de la unidad de potencia a la hélice (es decir, turbohélice) a través de la sección de conversión de potencia; o viceversa, de la sección de propulsión a la sección de conversión de potencia.

En una realización particular, la sección de propulsión es del tipo de paso variable.

Es decir, las al menos dos palas están configuradas para cambiar su paso. El paso se refiere al ángulo entre la línea de cuerda de la pala de la hélice y el plano de rotación de la hélice.

En hélices de paso variable, el paso de las palas es ajustable a su valor óptimo para la fase de vuelo, ya sea despegue, ascenso, crucero, aproximación o aterrizaje. En general, el propósito es mantener la eficiencia de la hélice mediante un mecanismo que altera el paso correcto con relación a la velocidad aerodinámica.

En una realización preferida, la hélice de paso variable es del tipo de velocidad constante que mantiene las mismas RPM independientemente de la palanca del acelerador o la velocidad aerodinámica.

En una realización particular, cada una de las al menos dos palas está configurada para ser colocada en al menos una de las siguientes dependiendo de la operación de la aeronave:

- posición 'totalmente en bandera, preferiblemente durante el rodaje y despegue de la aeronave;

- posición de 'paso plano', preferiblemente durante la aproximación y el aterrizaje de la aeronave; y

- posición 'no en bandera', preferiblemente durante el ascenso y crucero de la aeronave.

Es decir, el paso se puede ajustar desde una amplia gama de ángulos, en donde una posición de paso 'totalmente en bandera' se refiere a un ángulo de paso bajo que produce una buena aceleración a baja velocidad. Por el contrario, la posición de paso 'no en bandera' se refiere a un ángulo de paso más alto que produce un rendimiento óptimo a alta velocidad y economía de combustible.

La posición de 'paso plano' conlleva una alta resistencia al avance debido a la gran área húmeda de las palas, que puede ser de especial interés durante la aproximación y el aterrizaje de la aeronave para ayudar en la desaceleración.

Según la invención, las al menos dos palas de la sección de hélice están configuradas para ser plegadas una vez que el primer medio de acoplamiento desacopla la primera parte del eje de la parte del eje restante.

En una realización particular, las al menos dos palas se colocan en la posición de 'paso plano' durante las maniobras de plegado/desplegado.

Ventajosamente, esta posición de las palas facilita la rotación de la bisagra durante las maniobras de plegado/desplegado. Además, las palas en la posición de 'paso plano' no producen casi resistencia lo que tiene como objetivo no desviar las palas (es decir, evitar que se doblen) y desplegarlas correctamente.

En una realización particular, en el modo de Turbina de Aire de Impacto, las al menos dos palas están configuradas para ser colocadas en la posición 'no en bandera'. Por lo tanto, el paso se ajusta para maximizar la eficiencia a baja velocidad de la aeronave.

En una realización particular, la sección de propulsión está adaptada para ser dispuesta en el extremo delantero de la turbomáquina. En esta arquitectura, la turbomáquina actúa como un motor turbohélice tractor cuando tanto el primer como el segundo medios de acoplamiento acoplan sus partes del eje respectivas.

En una realización particular, la sección de propulsión está adaptada para ser dispuesta en el extremo trasero de la turbomáquina. En esta arquitectura, la turbomáquina actúa como un motor turbohélice de empuje cuando tanto el primer como el segundo medios de acoplamiento acoplan sus partes del eje respectivas.

Esta configuración es de especial relevancia en caso de que las APU actuales se vayan a reconfigurar en la turbomáquina según la presente invención. Dado que la mayoría de las APU están instaladas hoy en día en el cono de cola de la aeronave, la fuerza proporcionada por la hélice está empujando hacia el motor, en lugar de alejarse como en configuración tractora convencional.

De manera similar, la turbomáquina según esta realización también puede actuar como un motor de 'empujador de rotor abierto'.

En una realización particular, la turbomáquina comprende además medios de actuación asociados operativamente con el primer y segundo medios de acoplamiento, para acoplar y desacoplar los mismos.

En particular, los medios de actuación se pueden o bien acoplar o bien desacoplar manual o automáticamente a los respectivos según las reglas de actuación de aeronavegabilidad de la aeronave en la que están instalados.

En una realización particular, la sección de conversión de potencia está configurada para convertir la energía de la rotación de la parte del eje intermedia en al menos una de las siguientes formas:

- eléctrica, la sección de conversión de potencia que comprende un generador de energía eléctrica,

- neumática, la sección de conversión de potencia que comprende una bomba neumática, y/o

- hidráulica, la sección de conversión de potencia que comprende una bomba hidráulica.

Un experto en la técnica debería reconocer que esta lista no es exhaustiva y que el generador particular dependerá del tipo de aeronave. Por ejemplo, también pueden estar previstos arrancadores de motores dentro de la sección de conversión de potencia.

En una realización particular, la sección de conversión de potencia comprende además una caja de cambios dentro de la parte del eje intermedia con el fin de convertir las altas RPM de la segunda parte del eje de la unidad de potencia en bajas RPM para accionar la sección de hélice.

En una realización particular, cada una de las al menos dos palas está configurada para encajar en un pozo correspondiente cuando está plegada.

En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona una aeronave que comprende una turbomáquina según cualquiera de las realizaciones del primer aspecto inventivo, en donde la aeronave es al menos uno de los siguientes tipos:

- aeronaves de categoría pequeña, tales como aeronaves ligeras, o

- aeronaves de tamaño medio, tales como aeronaves regionales o aeronaves de cercanías, o

- sistema aéreo no tripulado.

Con el advenimiento de UAS nuevos, tecnológicamente avanzados, la turbomáquina de la presente invención se puede reacondicionar en cualquier aeronave que cumpla al menos que:

- ya incorpore una unidad de potencia, preferiblemente una turbina de gas, y

- está destinada a volar en régimen subsónico, preferiblemente por debajo de 0,7 Mach.

Preferiblemente, la turbomáquina de la presente invención se puede reacondicionar en cualquier aeronave que ya incorpore la unidad de potencia y use un turbohélice o incluso un turboventilador. Entre ellos, los tipos típicos de aeronaves que caen dentro de la definición anterior pueden ser: aeronaves regionales, aeronaves de cercanías, aeronaves de pasajeros de tamaño medio/pequeño, aviones de línea turbohélice, aeronaves ligeras o similares. En un tercer aspecto inventivo, la invención proporciona un método para continuar accionando la sección de conversión de potencia de una turbomáquina según cualquiera de las realizaciones del primer aspecto inventivo, en caso de mal funcionamiento en la unidad de potencia de la misma. En particular, el método comprende los pasos de: - proporcionar una turbomáquina que actúe como un motor turbohélice por defecto,

- detectar un mal funcionamiento en la operación de la unidad de potencia, tal como averías o alteraciones anormales de la velocidad,

- desacoplar el segundo medio de acoplamiento, y

- las al menos dos palas de la sección de propulsión forzadas por la corriente de aire inducen la rotación sobre la primera parte del eje que a su vez acciona la sección de conversión de potencia.

Todas las características descritas en esta especificación (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) y/o todos los pasos del método descrito se pueden combinar en cualquier combinación, con la excepción de combinaciones de tales características y/o pasos mutuamente excluyentes.

Descripción de los dibujos

Estas y otras características y ventajas de la invención llegarán a ser comprendidas claramente a la vista de la descripción detallada de la invención que llega a ser evidente a partir de una realización preferida de la invención, dada solo como ejemplo y que no se limita a la misma, con referencia a los dibujos.

Figura 1 Esta figura muestra una disposición esquemática de una realización de la turbomáquina para una aeronave según la invención.

Figuras 2a-2c Estas figuras muestran configuraciones particulares de la turbomáquina según la invención, en particular operando en los modos de 'turbohélice', 'Turbina de Aire de Impacto' y 'Unidad de Potencia Auxiliar', respectivamente.

Figura 3a-3c Estas figuras muestran diferentes secciones de pala de hélice, una optimizada para proporcionar solamente empuje (según la técnica anterior), y otra según la presente invención actuando como etapa de compresión abierta ('modo de turbohélice') y como molino de viento ('modo de Turbina de Aire de Impacto'), respectivamente.

Figuras 4a-4b Estas figuras muestran esquemáticamente una realización preferida con respecto a las maniobras de plegado/desplegado de las al menos dos palas de la sección de hélice.

Figuras 5a, 5b Estas figuras muestran una vista esquemática de una aeronave de cercanías que comprende una turbomáquina según la invención, y una vista detallada de la turbomáquina con palas plegadas.

Figuras 6a-6e Estas figuras muestran diferentes ejemplos de aeronaves que incorporan una turbomáquina según la presente invención.

Descripción detallada de la invención

Con propósitos ilustrativos y no limitativos, se mostrará de aquí en adelante la sección de propulsión (2) asociada a una primera parte del eje que comprende dos palas (2.1).

La figura 1 muestra una realización esquemática de una turbomáquina (1) según la invención. Como se puede ver, la turbomáquina comprende básicamente:

- una sección de propulsión (2),

- una sección de conversión de potencia (3), y

- una unidad de potencia (4).

En particular, la unidad de potencia (4) se ha representado como una turbina de gas, que a su vez comprende una admisión (4.1) para ingerir corriente de aire, un compresor (4.2), una cámara de combustión (4.3), turbinas (4.4) y un escape (4.5). Alternativamente, la unidad de potencia puede ser un motor alternativo o baterías (no mostradas en estas figuras).

La turbomáquina (1) comprende además un eje común seccionado en al menos tres partes para transferir potencia de una parte a otra. Por lo tanto, cada uno de los tres componentes básicos de la turbomáquina está asociado a una de estas partes del eje con el fin de rotar conjuntamente:

- la sección de propulsión (2) está asociada a una primera parte del eje,

- la turbina de gas (4) está asociada a una segunda parte del eje, y

- la sección de conversión de potencia (3) asociada a una parte del eje intermedia.

Este eje se coloca sobre el eje longitudinal (X) de la turbomáquina para permitir que esas secciones roten sobre él. Estas al menos tres partes de eje se unen mediante medios de acoplamiento respectivos, un primero (5) y un segundo (6), respectivamente. El primer medio de acoplamiento (5) está configurado para acoplar/desacoplar la primera parte del eje con la intermedia; mientras que el segundo medio de acoplamiento (6) está configurado para acoplar/desacoplar la parte del eje intermedia con el segundo.

En una realización preferida de la invención, ese primer (5) y segundo (6) medios de acoplamiento son embragues adaptados para ser operados por medios de accionamiento respectivos (no mostrados en estas figuras). En este sentido, hay un gran número de mecanismos de embrague y mecanismos de accionamiento de embrague asociados ya conocidos en el Estado de la Técnica, por ejemplo: mecánicos, hidráulicos, electromecánicos, etc.

Con el fin de facilitar la conmutación de configuración relacionada con diferentes modos de operación de la turbomáquina (1), en una realización, los medios de actuación se pueden regir por las reglas de actuación de aeronavegabilidad que desplegaba convencionalmente la RAT, es decir, bajo las mismas condiciones de aeronave y parámetros de vuelo.

En particular, se debería señalar que, en caso de que el primer medio de acoplamiento (5) desacople sus partes de eje respectivas, la sección de propulsión (2) puede rotar libremente bajo la corriente de aire enfrentada. De este modo, la sección de propulsión (2) comprende un buje al que se unen las al menos dos palas (2.1), el buje que es equivalente a una caperuza (2.2) asociada a la primera parte del eje.

Esa sección de propulsión (2) es del tipo de paso variable; particularmente, mantiene sustancialmente las mismas RPM independientemente de la palanca del acelerador o la velocidad aerodinámica.

Dado que la mayoría de los motores turbohélice producen su empuje máximo en una banda de velocidad muy estrecha, el sistema de hélice de velocidad constante permite seleccionar la velocidad de hélice adecuada a la situación de vuelo y luego mantiene automáticamente esas RPM en condiciones variables de altitud de aeronave, velocidad aerodinámica, fase de vuelo y potencia de motor (es decir, posición de la palanca de potencia).

Un experto en la técnica reconoce que se pueden usar diferentes mecanismos para la hélice de paso variable, tales como la combinación de un resorte deslizador y un conjunto de contrapesos para obtener una hélice de velocidad constante.

Además, la sección de propulsión (2) comprende además un mecanismo (no mostrado) para permitir que las al menos dos palas (2.1) se plieguen a lo largo de la dirección del eje. Este mecanismo se activa una vez que el primer medio de acoplamiento (5) desacopla la primera parte del eje de la parte del eje restante; es decir, cuando no se transfiere potencia a la sección de propulsión (2) y es capaz de rotar libremente.

Ante tal maniobra de plegado, tales al menos dos palas (2.1) están configuradas para encajar en un pozo correspondiente (no mostrado) con el fin de reducir la resistencia al avance, o para evitar su rotación libremente que puede afectar al rendimiento general de la aeronave.

Con respecto a la sección de conversión de potencia (3), está configurada para extraer potencia del eje intermedio asociado, y convertirla en otra forma que se adapte mejor a las necesidades de la aeronave. Por ejemplo, la sección de conversión de potencia puede comprender un generador de energía eléctrica (3.2) y/o una bomba neumática y/o una bomba hidráulica, según sea apropiado.

Ventajosamente, según la presente turbomáquina (1), esta sección de conversión de potencia (3) se puede alimentar (es decir, su parte de eje intermedia asociada accionada) o bien por la sección de propulsión (2) o bien por la unidad de potencia (4). De este modo, se permite continuar suministrando energía a los equipos de las aeronaves incluso en situaciones de emergencia dado que esta turbomáquina multifuncional se reconfigura dinámicamente a sí misma.

Además, en caso de que la segunda parte del eje asociada a la unidad de potencia (4) rote a altas RPM, es necesario dotar a la sección de conversión de potencia (3) con una caja de cambios (3.1) con el fin de convertir dichas altas RPM en bajas RPM adecuadas lo que no pone en peligro la integridad estructural de la sección de hélice (2) accionada.

Las figuras 2a a 2c representan la turbomáquina (1) de la figura 1 en varias configuraciones, en particular operando en los modos de 'turbohélice', 'Turbina de Aire de Impacto' y 'Unidad de Potencia Auxiliar', respectivamente.

En la figura 2a, se muestra la turbomáquina (1) en la configuración de 'modo de turbohélice', es decir, la configuración por defecto. Tanto el primer (5) como el segundo (6) medios de acoplamiento están acoplando sus partes de eje respectivas permitiendo que la turbomáquina actúe como motor turbohélice.

Como se trató brevemente anteriormente, en el 'modo de turbohélice', una fracción del empuje de escape de la unidad de potencia (4) se sacrifica en favor de la potencia del eje a ser transferida a la sección de propulsión (2) que actuará como una etapa de compresión abierta.

Debido a que esta configuración está destinada para la mayor parte del vuelo (es decir, ascenso y crucero de la aeronave), se puede observar que las al menos dos palas (2.1) están en posición 'no en bandera'.

En la figura 2b, se muestra la turbomáquina (1) en la configuración de 'modo de RAT', es decir, la configuración entendida cuando tanto la unidad de potencia (4) como los motores de propulsión (si los hay) han fallado o están inoperativos. El segundo medio de acoplamiento (6) se desacopla y la sección de propulsión (2) actúa como un molino de viento que a su vez accionará la sección de conversión de potencia (3) para continuar energizando los equipos de la aeronave.

Esta configuración es exclusiva de situaciones de emergencia muy raras, donde los sistemas vitales de la aeronave necesitan ser alimentados ininterrumpidamente. En esta configuración, las al menos dos palas (2.1) están en 'posición no de bandera' con el fin de continuar rotando incluso durante el descenso a baja velocidad.

En la figura 2c, se muestra la turbomáquina (1) en la configuración de 'Modo de Unidad de Potencia Auxiliar', es decir, la configuración entendida cuando la unidad de potencia (4) actúa como Unidad de Potencia Auxiliar pura accionando exclusivamente la sección de conversión de potencia (3), mientras que ignora la sección de propulsión (2). Por consiguiente, se desacopla el primer medio de acoplamiento (5).

Por razones ejemplares, las al menos dos palas (2.1) se muestran plegadas dado que no se pretende que la potencia sea dada ni se extraiga de la sección de propulsión (2). Por consiguiente, no se produce ninguna resistencia al avance por las al menos dos palas (2.1). En una realización preferida, dicha pala se encaja en un pozo correspondiente (no mostrado).

En esta configuración, las al menos dos palas (2.1) están en posición de 'paso plano' debido a la maniobra de plegado, que se puede ver con más detalle dentro de las figuras 4a y 4b.

Con respecto a la sección y características de la pala, la 'combadura' se define como la convexidad de la curva de la sección de pala desde el borde de ataque hasta el borde de salida. La superficie superior de la sección de pala normalmente tiene una combadura positiva, mientras que la superficie inferior puede tener una combadura positiva (convexa), cero (plana) o negativa (cóncava) según sea apropiado para el uso previsto.

La figura 3a representa una sección de pala de hélice típica de una pala optimizada para proporcionar empuje solamente según la técnica anterior. Como se puede ver, la combadura superior es sustancialmente curva, mientras que la combadura inferior es plana, dando como resultado de este modo una combadura cero. La flecha de línea discontinua que apunta hacia abajo indica la dirección de avance de la pala; mientras que la flecha más ancha que apunta hacia la izquierda indica la fuerza resultante en la pala, en este caso el empuje producido.

La figura 3b representa esquemáticamente una de las dos palas de la sección de propulsión de la presente invención diseñada en una solución de compromiso. En particular, esta pala presenta curvatura en la combadura tanto superior como inferior con el fin de proporcionar empuje (representado con la flecha ancha hacia la izquierda) que actúa como una etapa de compresión abierta en el 'modo de turbohélice'.

Por el contrario, dado que esta pala de la presente invención diseñada en una solución de compromiso debe actuar también como molino de viento, una representación de la sección de pala en modo de 'Turbina de Aire Impacto' se muestra en la figura 3c. Por consiguiente, en lugar de empuje (flecha ancha hacia la izquierda), se representa la fuerza resultante en la sección de pala hacia la derecha -resistencia al avance-(ver flecha ancha), generando de este modo potencia en el eje a velocidades aerodinámicas relativamente bajas.

Como consecuencia, las palas pueden actuar en ambas situaciones, haciendo que la turbomáquina sea totalmente operativa. Preferiblemente, las hélices están diseñadas prevaleciendo las características de la etapa de compresión sobre las del molino de viento.

La figura 4a muestra esquemáticamente la maniobra de desplegado de las al menos dos palas (2.1) de la sección de hélice (2). En particular, dichas al menos dos palas están en posición de 'paso plano' lo que facilita la rotación articulada y permite que la sección más ancha de la pala esté más cerca de la turbomáquina de una forma más aerodinámica.

Preferiblemente, una vez plegadas, al menos dos palas (2.1) quedan retenidas a lo largo de la turbomáquina con el fin de que no se desplieguen accidentalmente forzadas por la corriente de aire circundante.

Un experto en la técnica debería reconocer diferentes mecanismos para permitir tales maniobras de plegado/desplegado. Por ejemplo, se puede usar el mecanismo de la figura 4b, en la que se usa un mecanismo de rotación de dos ejes. Un eje radial permite variar el paso (representado con una flecha en la figura de la izquierda de 4b), mientras que el otro eje está diseñado como un punto de rotación de bisagra para permitir las maniobras de plegado/desplegado (representado con una flecha en la figura de la derecha de 4b).

La figura 5a representa una vista esquemática de una aeronave (10) que comprende una turbomáquina (1) según la invención, la aeronave (10) que está destinada a volar en régimen subsónico. En particular, se muestra el escenario en el que la aeronave ya comprende al menos un motor de propulsión (11), en este caso particular, un turbohélice. Entonces, se consideran dos posibles opciones: en primer lugar, que dicha aeronave (10) ya incorpore una APU, una RAT, etc.; y, en segundo lugar, que dicha aeronave no incorpore ninguna de ellas.

En el primer escenario, estas APU, RAT, etc. se pueden unir modificando la APU para que actúe como unidad de potencia (4), y proporcionando una sección de hélice (2) conectada a la sección de conversión de potencia (3) de la antigua APU. De este modo, la antigua RAT (que tenía que ser estibada dentro de la aeronave) se coloca fuera de la aeronave (10), dejando de este modo espacio adicional disponible con propósitos comerciales.

Por el contrario, en el segundo escenario, el turbohélice actual se puede reconfigurar para actuar como una turbomáquina (1) según la presente invención. Como consecuencia, se mejora la seguridad de modo que la turbomáquina (1) sea capaz de continuar generando potencia a la aeronave (10) en caso de emergencia.

La figura 5b muestra una vista detallada de la turbomáquina (1) mostrada en la figura 5a con las palas plegadas. Como se puede ver, la turbomáquina (1) adicional para actuar como turbohélice se coloca preferiblemente en el morro de la aeronave (10), con el fin de maximizar la eficiencia trabajando en configuración tractora.

Esta aeronave ya comprende un motor turbohélice (11) destinado a volar a la velocidad más alta posible (pero limitado a régimen subsónico). Por lo tanto, la introducción de una turbomáquina (1) auxiliar para proporcionar un empuje sobrante algunas veces puede comprometer la eficiencia del motor turbohélice propulsor (11) dado que la turbomáquina (1) puede no alcanzar esa alta velocidad de manera eficiente (debido a su solución de compromiso entre las funciones de molino de viento y compresor abierto).

Ventajosamente, plegando las al menos dos palas (2.1), la aeronave (10) ya comprende un motor turbohélice propulsor (11) que puede volar a alta velocidad (donde llegan a ser más eficientes) sin penalizar la eficiencia global por la resistencia al avance potencial producida por tales al menos dos palas (2.1) si están expuestas.

Las figuras 6a a 6e representan diferentes ejemplos de aeronaves (10) que comprenden una turbomáquina (1) según la presente invención. Un experto en la técnica debería notar que esta lista de aeronaves (10) previstas no es exhaustiva, y también se puede usar cualquier otra que cumpla los siguientes criterios:

- ya incorpora una unidad de potencia (4), preferiblemente una turbina de gas, y

- está destinada a volar en régimen subsónico, preferiblemente por debajo de 0,7 Mach.

Sin embargo, en el caso de nuevos modelos de aeronaves (10), la turbomáquina (1) según la invención se puede implementar muy desde el principio del desarrollo.

En resumen, las siguientes figuras 6a a 6e se identifican con los siguientes tipos de aeronaves (10) (que son adecuadas para comprender la turbomáquina (1) según la invención):

Fig. 6a.- Esta figura representa una vista esquemática de un Vehículo Aéreo No Tripulado (UAV) de ala alta con una configuración de motor de hélice extractor.

Fig. 6b.- Esta figura representa una vista esquemática de un UAV con una configuración de motor de hélice de empujador, particularmente con doble larguero de cola.

Fig. 6c.- Esta figura representa una vista esquemática de un Vehículo Aéreo No Tripulado (UAV) de ala media con una configuración de motor de hélice extractor.

Fig. 6d.- Esta figura representa una vista lateral esquemática de un UAV con una configuración de motor de hélice extractor, con doble larguero de cola.

Fig. 6e.- Esta figura representa una vista superior esquemática de un UAV con una configuración de motor de hélice extractor, con doble larguero de cola.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Una turbomáquina (1) para una aeronave (10), en donde la turbomáquina (1) comprende un eje común seccionado en al menos tres partes, la turbomáquina (1) que comprende además:

- un sección de propulsión (2) asociada a una primera parte del eje, en donde la sección de propulsión (2) comprende a su vez al menos dos palas (2.1),

- una unidad de potencia (4), preferiblemente una turbina de gas, asociada a una segunda parte del eje, la unidad de potencia (4) que está configurada para accionar la turbomáquina (1),

- una sección de conversión de potencia (3) asociada a una parte intermedia del eje entre la primera y segunda partes, la conversión de potencia que es accionable o bien por la sección de propulsión (2) o bien por la unidad de potencia (4),

- un primer medio de acoplamiento (5) dispuesto entre la sección de propulsión (2) y la sección de conversión de potencia (3), y configurado para acoplar o desacoplar sus respectivas partes del eje asociadas, y

- un segundo medio de acoplamiento (6) dispuesto entre la sección de conversión de potencia (3) y la unidad de potencia (4), y configurado para acoplar o desacoplar sus respectivas partes del eje asociadas,

de tal forma que cuando tanto el primer (5) como el segundo (6) medios de acoplamiento se acoplan a sus respectivas partes del eje, la turbomáquina (1) actúa como un motor turbohélice,

caracterizada por que

las al menos dos palas (2.1) de la sección de hélice (2) están configuradas para ser plegadas una vez que el primer medio de acoplamiento (5) desacopla la primera parte del eje de la parte de eje restante.

2. La turbomáquina (1) según la reivindicación 1, en donde la turbomáquina está configurada para operar en una de al menos tres configuraciones:

- un 'modo de turbohélice' cuando ambos medios de acoplamiento (5, 6) están acoplando sus partes del eje respectivas, toda la turbomáquina (1) que actúa como motor turbohélice;

- un 'modo de Turbina de Aire de Impacto' desacoplando el segundo medio de acoplamiento (6), la sección de propulsión (2) que actúa como molino de viento que acciona la sección de conversión de potencia (3); y

- un 'modo de unidad de potencia auxiliar' de una aeronave desacoplando el primer medio de acoplamiento (5), la unidad de potencia (4) que acciona la sección de conversión de potencia (3).

3. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sección de propulsión (2) es del tipo de paso variable.

4. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada una de las al menos dos palas (2.1) están configuradas para ser colocadas en al menos una de las siguientes dependiendo de la operación de la aeronave:

- posición 'totalmente en bandera', preferiblemente durante el rodaje y despegue de la aeronave;

- posición de 'paso plano', preferiblemente durante la aproximación y el aterrizaje de la aeronave; y

- posición 'no en bandera', preferiblemente durante el ascenso y crucero de la aeronave.

5. La turbomáquina (1) según la reivindicación 1, en donde las al menos dos palas (2.1) se colocan en la posición de 'paso plano' durante las maniobras de plegado/desplegado.

6. La turbomáquina (1) según las reivindicaciones 2 y 4, en donde en el 'modo de Turbina Dinámica', las al menos dos palas (2.1) están configuradas para ser colocadas en la posición 'no de bandera'.

7. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sección de propulsión (2) está adaptada para ser dispuesta en el extremo delantero de la turbomáquina, la turbomáquina (1) que actúa como un motor turbohélice tractor.

8. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la sección de propulsión (2) está adaptada para ser dispuesta en el extremo posterior de la turbomáquina, la turbomáquina (1) que actúa como un motor turbohélice de empuje.

9. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la turbomáquina comprende además medios de actuación asociados operativamente con el primer (5) y el segundo (6) medios de acoplamiento, para acoplar y desacoplar los mismos.

10. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sección de conversión de potencia (3) está configurada para convertir la energía de la rotación de la parte del eje intermedia en al menos dos de las siguientes formas:

- eléctrica, la sección de conversión de potencia (3) que comprende un generador de energía eléctrica,

- neumática, la sección de conversión de potencia (3) que comprende una bomba neumática, y/o

- hidráulica, la sección de conversión de potencia (3) que comprende una bomba hidráulica.

11. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la sección de conversión de potencia (3) comprende además una caja de cambios (3.1) dentro de la parte del eje intermedia con el fin de convertir las altas RPM de la segunda parte del eje de la unidad de potencia a bajas r Pm para accionar la sección de hélice (2).

12. La turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las al menos dos palas (2.1) están configuradas para encajar en un pozo correspondiente cuando están plegadas.

13. Una aeronave (10) que comprende una turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la aeronave (10) es al menos de una de los siguientes tipos:

- aeronaves de categoría pequeña, tales como aeronaves ligeras, o

- aeronaves de tamaño medio, tales como aeronaves regionales, o

- sistema aéreo no tripulado.

14. Un método para continuar accionando la sección de conversión de potencia (3) de una turbomáquina (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en caso de un mal funcionamiento en la unidad de potencia (4) de la misma, en donde el método comprende los pasos de :

- proporcionar una turbomáquina (1) que actúe como un motor turbohélice por defecto,

- detectar un mal funcionamiento en la operación de la unidad de potencia (4), tal como averías o alteraciones de velocidad anormales,

- desacoplar el segundo medio de acoplamiento (6), y

- las al menos dos palas (2.1) de la sección de propulsión (2) forzadas por la corriente de aire inducen la rotación sobre la primera parte del eje que a su vez acciona la sección de conversión de potencia (3).