ES2953700T3 - Sistema de gestión de aire - Google Patents

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Abstract

La presente invención proporciona un sistema de gestión de aire con un conjunto de fuentes de aire comprimido para suministrar aire presurizado a equipos consumidores de aire. En particular, un sistema de purga de aire, compresores eléctricos o una combinación de los mismos pueden realizar dicho suministro de aire comprimido dependiendo de las condiciones de operación de la aeronave. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de gestión de aire
Campo técnico de la invención
La presente invención pertenece al campo de los sistemas de distribución de aire neumáticos y, en particular, se relaciona con la provisión de fuentes de aire comprimido para suministrar aire a presión a equipos consumidores de aire.
En particular, cualquiera de un sistema de purga de aire, compresores eléctricos o una combinación de los mismos puede realizar tal suministro de aire comprimido dependiendo de las condiciones de operación de la aeronave, por ejemplo, la altitud de vuelo.
Por lo tanto, el sistema de gestión de aire de la presente invención tiene en cuenta parámetros de vuelo con el fin de alimentar selectivamente los equipos consumidores de aire a través de cualquiera de las fuentes de aire comprimido anteriores, evitando de este modo el sobredimensionamiento del sistema de gestión de aire de hoy en día y, en consecuencia, minimizando la pérdida de energía cuando se opera en escenarios no optimizados.
Antecedentes de la invención
En los motores de turbina de gas, el aire normalmente se toma de las etapas de compresor aguas arriba de la cámara o cámaras de combustión de combustible. De este modo, este aire de purga está a alta temperatura y alta presión, en donde los valores típicos están comprendidos en el intervalo de 150-500°C (423-773 K) cuando se extrae del motor, y en el intervalo de 150-250°C (423-523 K) después de la regulación en un preenfriador; y 40 psig (275790 Pa) de presión relativa, respectivamente.
Una vez tomado, este aire de purga se canaliza desde dichas etapas de compresor del motor a diversas ubicaciones dentro de la aeronave por un sistema de gestión de aire que comprende a su vez una red de conductos, válvulas y reguladores. En consecuencia, tales medios de canalización se han de adaptar para resistir la alta temperatura y presión del aire de purga.
Debido a su alta temperatura y presión, este aire de purga se usa para operar equipos consumidores de aire, tales como las Máquinas de Ciclo de Aire del Sistema de Control Ambiental (ECS), el sistema Antihielo de las Alas (WAIS) y otros consumidores de aire menores. Dependiendo de los requisitos del consumidor de aire a ser alimentado, se puede necesitar un amplio intervalo de presión y temperatura el cual implica un coste de energía diferente, por ejemplo:
- el aire de acondicionado (es decir, ECS) se acciona por la presión disponible, y
- el WAIS se acciona por la temperatura disponible.
Las arquitecturas clásicas del sistema de purga de aire extraen el aire de purga del compresor de turbina de gas en dos etapas diferentes a través de los puertos respectivos. Uno de estos puertos está situado en una etapa de compresor baja-intermedia (la denominada Puerto Intermedio, 'IP') mientras que el segundo puerto está situado en una etapa de compresor intermedia-alta (la denominada Puerto Alto, 'HP') para permitir extraer el aire de purga en dos condiciones diferentes.
Los valores típicos del aire de purga extraído de cada uno de estos puertos son:
- Puerto Intermedio, 'IP': presión de 10 psig (275790 Pa) ('ralentí') a 180 psig (1241056 Pa) (empuje de despegue máximo, 'MTO'), mientras que la temperatura está entre 80°C (353 K) y 400°C (673 K).
- Puerto Alto, 'HP': presión de 30 psig (206843 Pa) ('ralentí') a 650 psig (4481592 Pa) ('MT0'), mientras que la temperatura está entre 150°C (423 K) y 650°C (923 K).
Se ha de señalar que el valor exacto de presión y temperatura del aire de purga depende de la velocidad del motor. De manera similar, aunque solamente se han discutido en la presente memoria dos puertos convencionales (IP y HP), el Puerto de Alta Presión, 'HP', puede estar formado por más de un puerto (normalmente dos puertos) todos situados en etapas de compresor intermedias-altas, diferentes del Puerto de Presión Intermedia, 'IP'. De aquí en adelante, con propósitos ilustrativos, los posibles puertos (uno o más) que forman parte del Puerto de Alta Presión se discutirán en conjunto como 'HP'.
Bajo algunas circunstancias, los medios de canalización pueden sufrir una pérdida inesperada de aire de purga, las denominadas fugas, que potencialmente podrían conducir a problemas cuando se opera la aeronave. Debido a su efecto inherente en el desempeño general, se deberían instalar medios de detección a lo largo de toda la ruta de los canales. Los sensores basados en sales eutécticas se usan ampliamente en la industria como sensores de detección de sobrecalentamiento para detectar fugas de aire de purga a lo largo de los conductos.
Es bien sabido en la práctica actual que los sistemas de gestión de aire necesitan instalar arquitecturas a prueba de fallos, tales como válvulas de cierre dispersas, con el fin de aislar las diferentes zonas de aeronave para asegurar la integridad una vez que se detecta una fuga en los conductos. Sin embargo, la vibración de la aeronave puede inducir traqueteo en estos sensores, el cual podría causar alertas de detección de fugas espurias y aislamiento innecesario. Además, los fallos espurios desencadenan acciones de mantenimiento para la localización de fugas. Además, desde en tierra hasta en vuelo, las condiciones del aire externas cambian drásticamente. Esto necesita ser compensado por el sistema de gestión de aire a bordo regulando la purga de aire de cada uno de los dos puertos (puertos IP o HP). Por lo tanto, el sistema de gestión de aire general (que se basa exclusivamente en el aire de purga) se debe dimensionar para operar en cualquier fase de vuelo planificada, implicando una pérdida de energía significativa durante las fases de despegue/ascenso y descenso/espera. De aquí en adelante, los detalles de esta pérdida de energía se pueden ver en la figura 1.
Con la llegada de nuevos modelos de aeronaves (específicamente aquellos motores con Relación de Derivación Ultraalta que proporcionan temperaturas de puerto de HP más altas con presiones de 'Puerto de Ventilador' más bajas), se acentúan los problemas anteriores. En consecuencia, existe la necesidad en la industria aeroespacial de un sistema de gestión de aire que satisfaga los requisitos de los consumidores de aire con la energía óptima extraída de los motores de turbina de gas.
El documento EP 2 272 756 A1 describe un sistema de control para la presurización, ventilación y aire acondicionado de una aeronave, que al menos consta de kits de aire acondicionado neumáticos (PACK) y compresores neumáticos independientes alimentados eléctricamente (CAC).
El documento US 2018/0128178 A1 se refiere a un motor de turbina de gas y, más en particular, a mejoras en el suministro de aire de refrigeración desde una sección de compresor a una sección de turbina en un motor de turbina de gas.
El documento EP 3219620 A1 se refiere a motores de turbina de gas y, más en particular, a un sistema de purga de motor con compresor motorizado.
Compendio de la invención
La presente invención proporciona una solución a los problemas antes mencionados, mediante un sistema de gestión de aire según la reivindicación 1, un método para suministrar aire a presión según la reivindicación 11 y una aeronave según la reivindicación 12.
En las reivindicaciones dependientes, se definen realizaciones preferidas de la invención.
En un primer aspecto inventivo, la invención proporciona un sistema de gestión de aire de una aeronave para suministrar aire a presión a al menos un consumidor de aire, el sistema de gestión de aire que comprende:
- al menos un consumidor de aire;
- al menos una fuente de aire;
- al menos un motor de turbina de gas (4) que tiene un puerto único (2.1) situado en una etapa de compresor bajaintermedia del motor de turbina de gas (4);
- un sistema de purga de aire en comunicación fluida con el al menos un motor de turbina de gas a través del puerto único del motor de turbina de gas, el sistema de purga de aire que está configurado para suministrar aire comprimido a al menos un consumidor de aire;
- al menos un compresor eléctrico en comunicación fluida con la fuente de aire, el al menos un compresor eléctrico que está configurado para suministrar aire comprimido a al menos un consumidor de aire; y
- una unidad de control configurada para recibir una entrada con relación a la condición de operación de aeronave y operar selectivamente el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico en base a la entrada recibida.
Como se discutió brevemente, un sistema de purga de aire comprende una red de conductos y válvulas configurados para transportar aire comprimido desde una ubicación particular dentro del compresor del motor (es decir, en una etapa de compresor particular) para diferentes usos. La temperatura y la presión del aire son variables dependiendo de la etapa de compresor en la que se extrae el aire (es decir, se purga el aire).
En particular, el sistema de purga de aire según la invención comprende un puerto único configurado para extraer aire de la etapa del compresor donde se sitúa. Tal un puerto único está situado en una etapa de compresor bajaintermedia del motor de turbina de gas.
La presente invención contempla además el uso de al menos un compresor eléctrico en comunicación fluida con una fuente de aire por una entrada. El aire se presuriza dentro del compresor eléctrico y finalmente se transporta por la salida hacia el al menos un consumidor de aire destinado a ser alimentado. En uso, un componente giratorio imparte energía cinética al aire entrante que finalmente se convierte en energía de presión, es decir, aire comprimido.
En operación, es decir, la aeronave que está o bien en tierra o bien en vuelo, el aire con una presión, densidad y temperatura particulares rodea a la aeronave ('aire ambiental'). Esto depende principalmente de la altitud de vuelo o incluso de la fase de vuelo, donde el aire con diferentes propiedades entra en el motor de turbina de gas y, además, se ve afectado por la compresión del compresor.
Para un motor de turbina de gas dado, las propiedades del aire en cada etapa de compresor se pueden predecir usando el mapa del compresor, por ejemplo, en condiciones tanto de diseño como fuera de diseño.
Se ha de señalar que dicha condición de operación de la aeronave se puede determinar fácilmente mediante la aeronave en sí misma según los diferentes sensores y electrónica instalados en la misma, siendo el 'aire ambiente' diferente para cada escenario de vuelo. Luego, la electrónica de la aeronave envía tal condición de operación de la aeronave a la unidad de control de la presente invención que la procesa y determina qué fuente de aire comprimido necesita ser operada en base a la operación de aeronave actual.
De este modo, la unidad de control opera selectivamente el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico a través de un conjunto de válvulas (ya presentes o recién introducidas) en base a tal condición de operación de la aeronave ('entrada') recibida.
Los sistemas de gestión de aire convencionales se basan exclusivamente en sistemas de purga de aire que regulan y mezclan el aire extraído de los dos puertos, es decir, IP y HP, para cumplir los requisitos particulares de los consumidores de aire. A diferencia de esto, la presente invención proporciona una solución híbrida que compensa una eliminación del HP (puerto de alta presión) con compresores eléctricos.
Las fases de vuelo de alta demanda de energía de la aeronave abarcan la operación en tierra (por ejemplo, rodaje), el despegue o incluso la primera parte del ascenso, así como otras fases como el descenso (o aproximación) y espera. Convencionalmente, en estas fases de vuelo que demandan energía por encima, que representa una pequeña parte del vuelo en general, la mayor parte del aire de purga provenía del HP dado que la presión entregada por el puerto de IP no es suficiente para cumplir los requisitos de presión de los consumidores de aire, que es por lo que el puerto de IP no se usa con propósitos relacionados con la presión.
Por ejemplo, en la fase de 'espera' donde el motor está al ralentí, el puerto de IP no es capaz de extraer el aire de purga con suficiente presión, así que si la demanda de energía aumenta aún más, puede ser necesario aumentar el ralentí, lo que a su vez implica un consumo de combustible. Por otra parte, si se purga aire de IP en aquellas fases en las que el motor está a máxima potencia, tales como el despegue, se debería dimensionar el motor para más potencia y por lo tanto sería más grande.
Como se mencionó, usando compresores eléctricos (posiblemente junto con baterías) es posible acumular y entregar electricidad en el momento requerido y optimizar el tamaño y el consumo de combustible del motor.
Es decir, el sistema de gestión de aire utiliza la unidad de control para seleccionar qué fuente de aire comprimido (por ejemplo, sistema de purga de aire y/o al menos un compresor eléctrico) alimentará los consumidores de aire. Por consiguiente, se eliminan los conductos HP convencionales. Además, en ausencia de una fuente de purga de HP, los picos de energía demandados por los consumidores de aire se compensan por los compresores eléctricos. Además, la IP restante se puede mover ligeramente hacia delante o hacia atrás para optimizar la operación del sistema de gestión de aire en las fases de vuelo restantes (por ejemplo, crucero), que implican la mayor parte del vuelo.
El aire de purga extraído en el mismo es suficiente para cumplir los requisitos de los consumidores de aire durante las fases de vuelo a largo plazo, tales como el crucero.
Como se mencionó, la eliminación del puerto de HP implica la eliminación de los conductos de HP. Dado que la línea de IP restante no transporta aire a tan alta presión y temperatura, no hay necesidad de equipos a prueba de fallos relacionado, tales como sensores, válvulas (por ejemplo, Válvula de Alta Presión, HPV o Válvula de Sobrepresión, 0VP), etc.
En otras palabras, en caso de que hubiera una fuga en los conductos de IP, este aire no pondría en peligro la integridad de la estructura. En particular, el sistema de gestión de aire según la invención regula el aire canalizado a alrededor de 80°C a 100°C. Se ha de señalar que la regulación de temperatura actual estaba por encima de 200°C. Por lo tanto, una ventaja colateral de la invención es que la seguridad operativa se mejora al tiempo que se mejora la fiabilidad, es decir, hay una menor tendencia a fallos espurios o reales desencadenados por fugas de purga.
Además, el presente sistema de gestión de aire afecta ventajosamente al desempeño de la aeronave general en el sentido de que hay un beneficio de consumo de combustible de alrededor del 1% del consumo de combustible específico de empuje, 'SFC', beneficio en un perfil de misión de aeronave de de corto alcance típica 800 nm (millas náuticas) (1481 km). El principal factor para lograr tal beneficio se debe a que el puerto único se reduce en 2 o 3 etapas en comparación con el puerto de IP convencional.
Este ahorro de combustible se consigue gracias a una reducción de peso sustancial debido a eliminación de conductos de HP, eliminación de OPV y HPV y reducción del tamaño del preenfriador de alrededor del 50%; así como la eliminación completa de los conductos de purga de la APU con el o HdS asociado.
En una realización preferida, la arquitectura del sistema de purga de aire se dimensiona según las condiciones de vuelo de la fase de crucero.
En una realización particular, el al menos un consumidor de aire del sistema de gestión de aire es al menos uno de los siguientes:
- sistema de control ambiental;
- sistema de inertización del depósito de combustible;
- sistema antihielo de las alas;
- sistema de arranque de motor;
- agua y residuos; y/o
- presurización de depósitos hidráulicos.
En una realización preferida, el sistema de control ambiental comprende una máquina de ciclo de vapor configurada para ser operada por el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico.
Ventajosamente, el paquete o paquetes de máquina de ciclo de vapor requieren una presión más baja para operar, lo que se ajusta mejor a la presión entregada por el al menos un compresor eléctrico.
Además, junto con la reducción del puerto de IP en 2 o 3 etapas en comparación con puertos de IP convencionales, el requisito de presión más baja de los paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor durante las condiciones de crucero permite mejorar aún más el beneficio de 'SFC' por encima del 1% en una aeronave de corto alcance típica.
De manera similar, otros diseños adecuados para operar a menor presión se pueden contemplar dentro de la presente invención.
En una realización particular, el sistema antihielo de las alas es eléctrico.
A través de las etapas de compresor, la temperatura aumenta linealmente. Por lo tanto, el aire de purga de HP se usó principalmente con propósitos relacionados con alta temperatura.
En el presente sistema de gestión de aire, el flujo extraído por motor máximo es significativamente menor dado que el WAIS eléctrico no requiere aire comprimido.
Por lo tanto, el WAIS eléctrico permite una mejor optimización del sistema de gestión de aire debido a los requisitos de temperatura más baja.
Los WAIS eléctricos comunes son sistemas electrotérmicos basados en circuitos resistivos que generan calor. El calor se puede generar o bien de manera continua para proteger la aeronave de la formación de hielo (modo 'antihielo'), o bien de manera intermitente para desprender el hielo a medida que crece en ciertas superficies ('deshielo').
En una realización particular, el sistema de purga de aire comprende además un preenfriador dimensionado para operar con el aire de purga extraído del puerto único en la etapa del compresor.
Los preenfriadores típicos son intercambiadores de calor dispuestos en el pilón cerca del motor de turbina de gas que proporciona contacto térmico entre un conducto que proviene de los puertos de HP/IP y el aire de refrigeración que proviene o bien de un puerto de ventilador o bien directamente del aire ram.
Como ya se explicó anteriormente, con la llegada de los motores con Relación de Derivación Ultraalta (que proporcionan temperaturas de puerto de HP más altas y presión de puerto de ventilador más baja), la integración del preenfriador en el pilón está llegando a ser desafiante debido tanto a la alta temperatura manejada como la presión del puerto de ventilador más baja que acciona un aumento de tamaño significativo.
Ventajosamente, con la presente invención, existe una reducción del tamaño del preenfriador de casi un 50% debido a que se maneja menos temperatura en los conductos de IP en comparación con los puertos de HP convencionales. En una realización preferida, para cumplir los requisitos del consumidor de aire con la nueva arquitectura de sistema de gestión de aire, el preenfriador se dimensiona en la fase de espera cuando se proporciona aire tanto al ECS como al WAIS.
La fase de espera es bien conocida como una maniobra diseñada para retrasar una aeronave ya en vuelo que se mantiene dentro de un espacio aéreo específico a una altitud particular. Por lo tanto, dado que esta fase es la parte del vuelo más demandante de energía, dado que la altitud no es lo suficientemente alta y la velocidad es relativamente baja, generalmente se toma como punto de diseño para el Sistema de Control Ambiental.
En una realización particular, el al menos un compresor eléctrico está configurado para adaptar el aire comprimido suministrado según la fase de vuelo y/o la altitud. Por lo tanto, el compresor o compresores eléctricos están configurados para adaptar la presión entregada (por compresores eléctricos) a la presión requerida (por el consumidor de aire).
Según la invención, la condición de operación de aeronave es una altitud de vuelo predeterminada y/o la fase de vuelo está entre las siguientes: rodaje, despegue, ascenso, crucero, descenso, espera y aterrizaje.
En una realización particular, la unidad de control está configurada para operar el al menos un compresor eléctrico por debajo de una altitud de vuelo predeterminada (por ejemplo, 15000 pies que equivalen a 4572 m) y el sistema de purga de aire por encima de tal altitud de vuelo predeterminada.
Según la invención, la unidad de control está configurada para operar selectivamente el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico dependiendo de la entrada recibida, de modo que:
- en el rodaje, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire; - en el despegue, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire; - en el ascenso, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire hasta la altitud de vuelo predeterminada, siendo la altitud predeterminada preferiblemente 15000 pies (4572 m); luego, el sistema de purga de aire suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire;
- en el crucero, el sistema de purga de aire suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire; y - en el descenso, espera y aterrizaje, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire.
En otras palabras, el sistema de gestión de aire se beneficia de:
- la eficiencia del motor de turbina de gas para proporcionar aire a presión durante el crucero (o por encima de cierta altitud de vuelo o nivel de vuelo) con una pérdida de energía mínima, y
- la eficiencia del compresor o compresores eléctricos en tierra, durante el ascenso temprano y el descenso que permiten adaptar la presión entregada por el compresor a la presión requerida.
En una realización particular, el sistema de purga de aire está en comunicación fluida con cada motor de turbina de gas de la aeronave a través de puertos individuales respectivos situados en las etapas de compresor respectivas de cada motor de turbina de gas, y el sistema de gestión de aire comprende dos compresores eléctricos.
En una realización particular, el al menos un compresor eléctrico está interpuesto entre el sistema de purga de aire y el consumidor de aire, de modo que el sistema de purga de aire sea la fuente de aire del compresor eléctrico.
Ventajosamente, permite que el compresor eléctrico comprima el aire proveniente del sistema de purga de aire, aumentando la presión alcanzada.
En una realización alternativa, se instala un compresor o compresores eléctricos en paralelo al sistema de purga de aire. Por lo tanto, la fuente de aire del compresor eléctrico puede provenir o bien de un puerto de ventilador o bien de una toma de aire ram que se conecta directamente con el aire ambiente.
En una realización particular, el sistema de gestión de aire comprende además un dispositivo de almacenamiento de energía configurado para suministrar potencia a al menos un compresor eléctrico, tal como una batería.
Ventajosamente, no es necesario dimensionar el motor en el punto que requiere extracción de energía máxima, en la medida que la energía generada se puede acumular en parte para ser usada más tarde en una demanda menor. En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona un método para suministrar aire a presión al equipo consumidor de aire, el método que comprende:
- proporcionar un sistema de gestión de aire según cualquiera de las realizaciones del primer aspecto inventivo; - recibir por la unidad de control una entrada con relación a la condición de operación de la aeronave; y
- operar el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico en base a la entrada recibida.
Aún según el segundo aspecto inventivo, el método comprende además: operar por la unidad de control el sistema de purga de aire y/o el al menos un compresor eléctrico dependiendo de la entrada recibida, de modo que:
- en el rodaje, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire; - en el despegue, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire; - en el ascenso, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire hasta la altitud predeterminada, siendo la altitud predeterminada preferiblemente 15000 pies (4572 m) luego, el sistema de purga de aire suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire;
- en el crucero, el sistema de purga de aire suministre aire comprimido a al menos a un consumidor de aire; y - en el descenso, espera y aterrizaje, el al menos un compresor eléctrico suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire.
En un tercer aspecto inventivo, la invención proporciona una aeronave que comprende un sistema de gestión de aire según cualquiera de las realizaciones del primer aspecto inventivo.
En un cuarto aspecto inventivo no reivindicado, la invención proporciona un aparato de procesamiento de datos que comprende medios para llevar a cabo el método según cualquiera de las realizaciones del segundo aspecto inventivo.
En un quinto aspecto inventivo no reivindicado, la invención proporciona un programa informático que comprende instrucciones que, cuando el programa se ejecuta por un ordenador, hacen que el ordenador lleve a cabo el método según cualquiera de las realizaciones del segundo aspecto inventivo.
Descripción de los dibujos
Estas y otras características y ventajas de la invención llegarán a ser entendidas claramente en vista de la descripción detallada de la invención que llega a ser evidente a partir de una realización preferida de la invención con referencia a los dibujos.
Figura 1. Esta figura muestra un gráfico esquemático de una entrega de potencia del sistema de purga de aire de IP, HP convencional en comparación con la potencia requerida por los consumidores de aire.
Figuras 2a-b. Estas figuras muestran una representación esquemática de una aeronave que comprende (a) un sistema de gestión de aire convencional, y (b) un sistema de gestión de aire según la presente invención.
Figuras 3a-b. Estas figuras muestran una arquitectura esquemática de (a) un sistema de gestión de aire convencional, y (b) un sistema de gestión de aire según la presente invención.
Figura 4. Esta figura muestra una representación esquemática de un perfil de misión de aeronave que usa un sistema de gestión de aire según la presente invención a lo largo de las fases de vuelo.
Descripción detallada de la invención
Como se apreciará por un experto en la técnica, los aspectos de la presente invención se incorporan como un sistema de gestión de aire, un método y una aeronave y se pueden incorporar como un aparato de procesamiento de datos o un programa informático.
La Figura 1 representa un gráfico esquemático (7) de una entrega de potencia del sistema de purga de aire de IP -HP (7.1) convencional en comparación con la potencia requerida (7.2) por los consumidores de aire a lo largo de un vuelo completo.
Como se puede ver, se compara la potencia requerida (7.2) por los consumidores de aire en kW frente a la potencia entregada (7.1) por el sistema de purga de aire convencional de IP - HP (en kW). Sobrepuesto al primero, existe una descripción general de las fases de vuelo (7.3) a través de las cuales pasa la aeronave en un vuelo completo, en particular tomando la altitud como referencia para situar la aeronave en cada una de tales fases de vuelo.
En este perfil de misión ejemplar, existe un desajuste entre la potencia suministrada por el sistema de purga de aire y la requerida por los consumidores de aire tanto al principio como al final del vuelo, es decir, en principio cuando la aeronave está en tierra o cerca de ella por debajo de una cierta altitud de vuelo.
El eje de ordenadas a la izquierda del gráfico indica la potencia (en kW), mientras que el eje de ordenadas a la derecha indica la altitud de vuelo (en pies). Finalmente, el eje de abscisas se refiere al tiempo de vuelo (en minutos). El sistema de purga de aire de IP - HP típico se diseña convencionalmente de la siguiente manera:
- El puerto de IP extrae aire durante el despegue, ascenso, crucero y espera; y
- El puerto de HP extrae aire en tierra, durante el descenso e incluso en espera si el puerto de IP no es capaz de proporcionar suficiente presión de aire para cumplir los requisitos del consumidor de aire.
Por lo tanto, en aquellas fases donde el puerto de HP está extrayendo aire para suministrar a los consumidores de aire, hay una pérdida de energía significativa como se puede ver por los picos (7.4) en el gráfico (seleccionados por círculos discontinuos). Esos picos (7.4) representan un desajuste de potencia que implica una pérdida de energía. Esta pérdida de energía es porque:
• por una parte, la energía entregada por el puerto de HP durante la espera es significativamente más alta que la energía requerida por los consumidores de aire. El puerto de HP se usa bajo estas condiciones porque la energía entregada por el puerto de IP es menor que la energía requerida; y
• la energía entregada por el puerto de IP durante las fases de despegue y ascenso temprano es significativamente más alta que la energía requerida, dado que el puerto de IP se selecciona para cumplir los requisitos de los consumidores de aire durante el crucero. Además, en el crucero, la energía extraída del puerto de IP es menor que durante las fases de despegue y ascenso.
La Figura 2a representa una representación esquemática de una aeronave que comprende un sistema de gestión de aire convencional basado exclusivamente en el sistema de purga de aire (2).
En particular, la aeronave (10) comprende dos motores de turbina de gas (4) que cuelgan de cada ala por pilones respectivos. Se representa esquemáticamente la conducción o canalización de los dos puertos, IP (2.1) y HP (2.2), provenientes de diferentes etapas de compresor de los motores de turbina de gas (4). Se ha de señalar que las válvulas y otros equipos hidráulicos no se muestran a lo largo de estas figuras.
Se muestra que los puertos de purga (IP y HP) están en comunicación fluida (mediante canales o conductos (2.1.1, 2.2.1)) con el WAIS (5.3) y los Paquetes de Aire Acondicionado (5.1) del ECS con el fin de transportar aire a presión al mismo.
Además, la aeronave (10) comprende una Unidad de Potencia Auxiliar ('APU') (6) en el cono de cola de la aeronave (10). Esta APU (6) también está en comunicación fluida (mediante conductos de purga de la APU (6.1)) con el WAIS (5.3) y los Paquetes de Aire Acondicionado (5.1) del ECS con el fin de proporcionar energía o bien neumática o bien eléctrica a los mismos.
Los conductos de purga de la APU (6.1) típicos para el modo neumático también están asociados con el Sistema de Detección de Sobrecalentamiento por razones de seguridad.
Por otra parte, la Figura 2b representa un ejemplo de una representación esquemática de una aeronave (10) similar a la mostrada en la Figura 2a pero que comprende un sistema de gestión de aire (1) según la presente invención. En lugar del puerto de IP - HP para cada motor de turbina de gas (4) como se muestra en la Figura 2a, el sistema de purga de aire (2) según la presente invención solamente extrae aire de un puerto único, que está en conexión fluida con los Paquetes de Aire Acondicionado. (5.1) del ECS. En esta realización particular, los Paquetes de Aire Acondicionado se sustituyen por Paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor (5.2) que necesitan una presión de aire más baja en comparación con los Paquetes de Aire Acondicionado (5.1) convencionales.
Además, dos compresores eléctricos (3) están colocados dentro del carenado de la panza de la aeronave (10) junto con los Paquetes de Aire Acondicionado o Paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor del ECS.
En realizaciones particulares, el sistema antihielo de las alas ('WAIS') puede ser eléctrico (5.4) por lo que ya no se necesita la canalización para el transporte de aire a presión. En su lugar, se debería desplegar una conexión de cableado (que es más ligera que los conductos).
De manera similar, se eliminan los conductos de purga de la APU (6.1) dado que ya no es necesario el modo neumático. Solamente se contempla el modo eléctrico para suministrar potencia al compresor eléctrico (3), por ejemplo. Además, otros consumidores de energía tales como baterías, WAIS eléctricos (5.4), o similares, se pueden alimentar por la APU (6) funcionando en modo eléctrico (o cualquier otra fuente eléctrica).
La eliminación de los conductos de purga de la APU (6.1) (es decir, la APU solamente funciona en 'modo eléctrico') trae consigo las siguientes ventajas:
- Reducción de peso significativa, alrededor de 170 kg (en una aeronave (10) de corto alcance).
- Eliminación de la instalación perjudicial de un conducto de alta presión y temperatura que discurre a través del fuselaje presurizado.
- Eliminación del 0HDS asociado a los conductos de la APU.
El excedente de aire comprimido necesitado anteriormente proporcionado por la APU (6) se proporciona, dentro de la presente invención, exclusivamente por el sistema de purga de aire (2) a través del puerto único (por ejemplo, IP) después de los trabajos de optimización y modelado. Esto se puede hacer fácilmente por los expertos en la técnica conociendo las restricciones de temperatura y presión de los canales del sistema de gestión de aire (1), con el objetivo de cumplir los requisitos de los consumidores de aire (5) reconocidos de antemano.
Por ejemplo, la combinación del WAIS eléctrico (5.4) y los Paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor (5.2) en el ECS permite reducir en 2 o 3 etapas de compresor la ubicación del puerto único debido al requisito de baja presión de los paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor por encima de condiciones nominales de 15000 pies (4572 m) (8 a 12 psig (55158-82737 Pa) y hasta 14 psig (96526 Pa) en casos de fallo).
Se ha de señalar que, aunque solamente se representan el WAIS (5.3, 5.4) y el ECS (5.1, 5.2) como consumidores de aire (5), se pueden usar otros consumidores de aire menores tales como: sistema de inertización de depósito de combustible, sistema de arranque de motor, agua y residuos y/o presurización de depósitos hidráulicos.
También, una unidad de control (no mostrada a lo largo de estas figuras) está conectada eléctricamente tanto al sistema de purga de aire (2) como al compresor o compresores eléctricos (3) para operarlos selectivamente en base a una condición operativa de la aeronave (10). En particular, la unidad de control está conectada eléctricamente a algunas válvulas del sistema de purga de aire (2) para permitir que el aire de purga procedente del puerto único o bien pase a través, o bien que se corte, o bien que se reduzca el caudal.
En particular, tal condición de operación de la aeronave (10) puede ser una altitud de vuelo predeterminada, por ejemplo 15000 pies (4572 m), y/o cualquiera de las fases de vuelo vistas en la Figura 4.
La Figura 3a representa una arquitectura esquemática de un sistema de gestión de aire (1) convencional. En particular, puede ser el esquema hidráulico de una parte del sistema de gestión de aire (1) mostrado en la Figura 2a. Se pueden apreciar los dos puertos, IP (2.1) y HP (2.2), provenientes de la etapa de compresor del motor de turbina de gas (4). Además existe un tercer puerto (2.3) en comunicación fluida con el ventilador, diseñado específicamente para extraer el aire de refrigeración del mismo y dirigirlo a un preenfriador (2.4).
Este preenfriador (2.4) está diseñado para operar con el aire de purga extraído de cualquiera de los dos puertos (IP y HP) en las etapas de compresor respectivas. Por lo tanto, dado que el aire de purga extraído de HP (2.2) tiene una presión y temperatura más altas, el preenfriador (2.4) tiene un tamaño mayor para aumentar el efecto de enfriamiento. Los preenfriadores normalmente están integrados dentro del pilón.
Alternativamente, el aire de enfriamiento puede provenir directamente del aire ram en lugar del puerto de ventilador (2.3).
Se pueden ver también las válvulas, reguladores y otros componentes hidráulicos que forman el sistema de gestión de aire (1) de la aeronave (10). Por ejemplo, hay una válvula de sobrepresión ('0PV') (2.5), también denominada como válvulas de alivio, o Válvula de Alta Presión ('HPV') (2.6) cuya función es mantener el aire a presión transportado a través de conductos (2.2.1) a una presión y temperatura admisibles.
La Figura 3b representa una arquitectura esquemática de un sistema de gestión de aire (1) según la presente invención. Como ejemplo, puede formar el esquema neumático de una parte del sistema de gestión de aire (1) mostrado en la Figura 2b.
En comparación con el esquema hidráulico convencional de la Figura 3a, el esquema neumático de un sistema de gestión de aire (1) según la presente invención es sustancialmente similar en diseño, pero las secciones de conductos de HP (2.2.1) y las válvulas (2.2, 2.5, 2.6) relacionadas ya no se muestran. Estos elementos eliminados se muestran tachados.
En particular, el puerto de HP (2.2) (es decir, el puerto situado en una etapa de compresor más alta) está eliminado. La Válvula de Alta Presión (HPV) (2.6) asociada también se ha eliminado dado que el aire extraído del puerto de IP (2.1) restante no alcanza una temperatura y presión tan altas.
El aire extraído del puerto de IP (2.1) restante se controla a través de la Válvula de Regulación de Presión ('PRV'). La válvula ('IPCV') interpuesta entre el puerto de IP y el punto de unión donde antiguamente se unían los conductos de IP y los conductos de HP (para evitar, entre otras cosas, el flujo inverso) sigue siendo de aplicación para cerrar el flujo de aire extraído del puerto de IP (2.1) restante. Sin embargo, en realizaciones particulares, la IPCV se puede eliminar en la medida no hay riesgo de flujo inverso en el puerto de IP de aire proveniente del puerto de HP como lo hacen los esquemas neumáticos de la técnica anterior.
Además, la antigua Válvula de Sobrepresión (2.5) ya no es necesaria en la medida que la presión de puerto de IP máxima permanece por debajo de 90 psig (620528 Pa) dentro de la presente invención.
Solamente se aprecia un puerto, el puerto de IP (2.1) proveniente de la etapa de compresor del motor de turbina de gas. Además, existe un tercer puerto (2.3) en comunicación fluida con el ventilador, diseñado específicamente para extraer el aire de enfriamiento del mismo y dirigirlo a un preenfriador (2.4).
Dado que el aire que alcanza el preenfriador (2.4) desde el lado caliente (es decir, desde el conducto de IP) no está tan caliente como con el puerto de HP (2.2) convencional del sistema de purga de aire, el preenfriador se diseña específicamente para operar con el aire de purga extraído del puerto único (es decir, el puerto de IP). Esto implica una reducción del tamaño del preenfriador de alrededor de un 50%. Una vez que el aire comprimido de IP se ha enfriado en el preenfriador, se dirige a los consumidores de aire (5) como apunta la flecha.
Se ha de señalar que el presente sistema de gestión de aire (1) regula el aire transportado a alrededor de 80°C -100°C (353-373 K) contrariamente a la regulación de temperatura de hoy en día (sistemas de purga de IP - HP) a 200°C (473 K).
Además, la ubicación del puerto único (2.1) (puerto de IP) se reduce en 2 o 3 etapas debido al requisito de presión baja de los Paquetes de Máquina de Ciclo de Vapor (5.2) por encima de 15000 pies (4572 metros), aunque no se muestra en la presente memoria con propósitos ilustrativos.
La presente invención proporciona además un método para suministrar aire a presión al equipo consumidor de aire (5). Brevemente, los pasos de dicho método son de la siguiente manera:
- proporcionar un sistema de gestión de aire (1) como se describió anteriormente;
- recibir por la unidad de control (no mostrada) una entrada relativa a la condición de operación de la aeronave (10); y
- operar el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) en base a la entrada recibida. La Figura 4 representa el perfil de misión de una aeronave (10) ejemplar usando una aeronave sistema de gestión de aire (1) según la presente invención a lo largo de las fases de vuelo.
Si el al menos un compresor eléctrico (3) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5), se representa en línea continua. Por otra parte, cuando el sistema de purga de aire (2) suministra exclusivamente aire comprimido a al menos un consumidor de aire; se representa en línea discontinua.
Se ha de señalar que, con propósitos ilustrativos, no se muestra ninguna superposición entre la operación del sistema de purga de aire (2) y la operación del al menos un compresor eléctrico (3), pero esta situación de superposición es de interés en la interfase cuando la fuente de aire comprimido (2, 3) cambia.
En particular, los criterios seguidos por la unidad de control para operar el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) tras recibir una condición de operación de la aeronave (10) (es decir, altitud de vuelo o fase de vuelo) se resume de la siguiente manera:
- Por debajo de una altitud predeterminada, preferiblemente 15000 pies (4572 m):
o en el rodaje, el al menos un compresor eléctrico (3) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
o en el despegue, el al menos un compresor eléctrico (3) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
o en el ascenso, el al menos un compresor eléctrico (3) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5) hasta la altitud predeterminada;
- Por encima de la altitud predeterminada:
o aún en el ascenso, el sistema de purga de aire (2) suministra exclusivamente aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
o en el crucero, el sistema de purga de aire (2) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5); y - Una vez que finaliza la fase de crucero:
o en el descenso, espera y aterrizaje, el al menos un compresor eléctrico (3) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5).
En otras palabras, a medida que la aeronave (10) pasa de una fase a otra, la unidad de control recibe la entrada correspondiente y opera la fuente de aire comprimido correspondiente (sistema de aire de purga (2) y/o compresor eléctrico (3)) a través de las válvulas correspondientes o directamente por el compresor eléctrico.
Como ya se mencionó, dado que el sistema de purga de aire (2) opera exclusivamente en condiciones favorables desde el punto de vista del coste de la energía (elevada altitud y velocidad relativamente alta), la arquitectura del sistema de purga de aire (2) se dimensiona según las condiciones de vuelo de la fase de crucero, que abarca la mayor parte del vuelo.
Las fases de vuelo que demandan energía, tales como la operación en tierra, el despegue o incluso la primera parte del ascenso, así como otras fases como el descenso (o aproximación) y la espera se basan exclusivamente en aire a presión suministrado por el compresor o compresores eléctricos.
Por lo tanto, el compresor o compresores eléctricos (3) adaptan la presión entregada a la presión requerida por el consumidor de aire (5) tras una indicación de la unidad de control.
A lo largo de toda la descripción, el experto en la técnica reconocerá que las cifras específicas de operación de la aeronave (10) o los parámetros de los sistemas de purga de aire dependen en gran medida de las características específicas del modelo de aeronave (10).

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de gestión de aire (1) de una aeronave (10) para suministrar aire a presión a al menos un consumidor de aire (5), el sistema de gestión de aire (1) que comprende:
- al menos un consumidor de aire (5);
- al menos una fuente de aire;
- al menos un motor de turbina de gas (4) que tiene un puerto único (2.1) situado en una etapa de compresor bajaintermedia del motor de turbina de gas (4);
- un sistema de purga de aire (2) en comunicación fluida con el al menos un motor de turbina de gas (4) a través del puerto único (2.1) del motor de turbina de gas (4), el sistema de purga de aire (2) que está configurado para suministrar aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
- al menos un compresor eléctrico (3) en comunicación fluida con la fuente de aire, el al menos un compresor eléctrico (3) que está configurado para suministrar aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5); y - una unidad de control configurada para recibir una entrada con relación a la condición de operación de la aeronave (10) y operar selectivamente el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) en base a la entrada recibida,
en donde:
la condición de operación de la aeronave (10) es una altitud de vuelo predeterminada y/o la fase de vuelo entre las siguientes: rodaje, despegue, ascenso, crucero, descenso, espera y aterrizaje,
la unidad de control está configurada para operar selectivamente el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) según la entrada recibida, de modo que:
- en el rodaje, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
- en el despegue, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
- en el ascenso, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5) hasta la altitud de vuelo predeterminada, siendo la altitud predeterminada preferiblemente 15000 pies (4572 m); luego, el sistema de purga de aire (2) suministra aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
- en el crucero, el sistema de purga de aire (2) suministre aire comprimido a al menos a un consumidor de aire (5); y - en el descenso, espera y aterrizaje, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5).
2. El sistema de gestión de aire (1) según la reivindicación 1, en donde el al menos un consumidor de aire (5) del sistema de gestión de aire (1) es al menos uno de los siguientes:
- sistema de control ambiental (5.1, 5.2);
- sistema de inertización de depósito de combustible;
- sistema antihielo de las alas (5.3, 5.4);
- sistema de arranque de motor;
- agua y residuos; y/o
- presurización de depósitos hidráulicos.
3. El sistema de gestión de aire (1) según la reivindicación 2, en donde el sistema de control ambiental comprende una máquina de ciclo de vapor (5.2) configurada para ser operada por el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (2).
4. El sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, en donde el sistema antihielo de las alas (5.4) es eléctrico.
5. El sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el sistema de purga de aire (2) comprende además un preenfriador (2.4) dimensionado para operar con el aire de purga extraído del puerto único (2.1) en la etapa de compresor.
6. El sistema de gestión de aire (1) según la reivindicación 1, en donde la arquitectura del sistema de purga de aire (2) se dimensiona según las condiciones de vuelo de la fase de crucero.
7. El sistema de gestión de aire (1) según reivindicación 1, en donde el al menos un compresor eléctrico (3) está configurado para adaptar el aire comprimido suministrado según la fase de vuelo y/o la altitud.
8. El sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el sistema de purga de aire (2) está en comunicación fluida con cada motor de turbina de gas (4) de la aeronave (10) a través de puertos únicos (2.1) respectivos situados en las etapas de compresor respectivas de cada motor de turbina de gas (4), y el sistema de gestión de aire (1) comprende dos compresores eléctricos (3).
9. El sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el al menos un compresor eléctrico (3) se interpone entre el sistema de purga de aire (2) y el consumidor de aire (5), de modo que el sistema de purga de aire (2) sea la fuente de aire del compresor eléctrico (3).
10. El sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, que comprende además un dispositivo de almacenamiento de energía configurado para suministrar potencia a al menos un compresor eléctrico (3) , tal como una batería.
11. Un método para suministrar aire a presión a equipos consumidores de aire (5), el método que comprende:
- proporcionar un sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10;
- recibir por la unidad de control una entrada con relación a la condición de operación de la aeronave (10); y - operar el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) en base a la entrada recibida. en donde el sistema de gestión de aire (1) es según la reivindicación 1, el método que comprende además: operar por la unidad de control el sistema de purga de aire (2) y/o el al menos un compresor eléctrico (3) dependiendo de la entrada recibida, de modo que:
- en el rodaje, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
- en el despegue, el al menos un compresor eléctrico (3) suministre aire comprimido a al menos un consumidor de aire (5);
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12. Una aeronave (10) que comprende un sistema de gestión de aire (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.
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