ES2992863T3 - Compressor system - Google Patents

Abstract

Sistema compresor para una turbomáquina (10), que comprende un eje de baja presión (36) acoplado a una turbina de baja presión (34), y un eje de alta presión (38) acoplado a una turbina de alta presión (32). El sistema compresor puede comprender un ventilador (12) accionado por la turbina de baja presión (34) a través del eje de baja presión (36), un compresor booster (16) y una unidad de engranajes (40). El eje de baja presión (36) puede estar acoplado a un primer elemento de entrada (42) de la unidad de engranajes (40). El eje de alta presión (38) puede estar acoplado a un segundo elemento de entrada (44) de la unidad de engranajes (40). Un rotor intermedio (41) puede estar acoplado a un elemento de salida (46) de la unidad de engranajes (40). El rotor intermedio comprende elementos giratorios (16, 43a) del compresor booster (16) y un motor-generador eléctrico (43). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de compresor

La presente divulgación se refiere a una máquina turbo.

En particular, la divulgación se refiere a una máquina turbo que comprende un sistema de ventilador y de compresor de baja presión.

Antecedentes

La maquinaria turbo, en particular motores de turbina de gas, puede comprender, en serie, un ventilador, un compresor potenciador y un compresor de alta presión que suministran aire presurizado a un núcleo de la maquinaria turbo, por ejemplo, una unidad de combustión, donde se queman combustible y aire y se expulsan a una serie de turbinas para accionar las unidades de ventilador y de compresor, además de proporcionar empuje.

En respuesta a la necesidad de una mayor eficiencia de combustible, se han producido motores de turbina de gas que tienen relaciones de derivación más altas y relaciones de presión global más altas. Esto da como resultado un mayor conflicto entre los parámetros de diseño óptimos para el ventilador y el motor central. A relaciones de derivación más altas, la relación de presión óptima del ventilador es relativamente baja, lo que resulta en una velocidad de rotación más baja y un mayor par del eje del ventilador. Las etapas potenciadoras acopladas al eje del ventilador giran más lentamente y requieren más etapas para conseguir la relación de presión deseada o requieren un radio mayor que afecta a la línea del cubo del ventilador y da como resultado un diámetro mayor de la punta del ventilador con consecuencias adversas en el peso y la resistencia del motor. Para minimizar estos efectos, es deseable conseguir la relación de presión máxima en el motor central, pero esto requiere una tecnología aerodinámica muy avanzada, materiales resistentes a alta temperatura y una tecnología de enfriamiento avanzada para conseguir un diseño de núcleo compacto que pueda alojar el eje del ventilador de alto par.

En un turboventilador de dos ejes, se conoce la fijación de un compresor potenciador directamente al eje del ventilador de manera que el potenciador gire a la misma velocidad que el ventilador. A relaciones de derivación más altas, la velocidad de pala del potenciador es muy baja y puede requerir muchas etapas para conseguir la relación de presión requerida. Para conseguir una carga aerodinámica de potenciador aceptable en dicha configuración, pueden requerirse varias etapas potenciadoras, y cada etapa potenciadora debe conseguir una velocidad de pala suficiente, lo que requiere que el diámetro de cada etapa potenciadora sea relativamente grande. Ambas características de diseño aumentan el tamaño total del motor resultante, lo que resulta en un peso y una resistencia aerodinámica extra. El eje que acciona el ventilador y el potenciador también debe dimensionarse para hacer frente a la carga de par del potenciador y el ventilador, aumentando aún más el peso y el tamaño de tales variaciones de diseño.

Una disposición alternativa se describe en la solicitud de patente europea EP2728140A2 y se muestra en la Figura 1. Usando los números de referencia de la solicitud de patente europea EP2728140A2, una etapa 36 de ventilador está acoplada a una turbina de baja presión mediante un eje 56 de baja presión.

Un engranaje 44 está provisto de entradas forman el eje 56 de baja presión y un eje 40 de alta presión. Un potenciador 24 de velocidad intermedia está acoplado a una salida del engranaje 44. La salida del engranaje 44 depende de la diferencia en la velocidad de rotación entre el eje de baja presión y el eje de alta presión. Por lo tanto, uno del eje de baja presión y eje de alta presión proporciona una "sustracción" de la "entrada" proporcionada por el otro al engranaje. Tal configuración puede dar como resultado una carga adicional en al menos uno de los ejes, lo que requiere que el eje sea reforzado con material adicional para acomodar la carga y, por lo tanto, aumenta el peso total y afecta negativamente al diseño mecánico del motor central.

Además, y común a todos los motores de turbina de gas a los que se fijan tales sistemas de compresor, es necesario girar los elementos giratorios del sistema de compresor al arrancar el motor. Esto se puede hacer usando un motor de arranque acoplado al exterior de la carcasa del motor y acoplado al carrete de alta presión a través de un eje y una caja de engranajes. Si bien esto logra el objetivo de arrancar el motor, el motor de arranque y la caja de engranajes no funcionan durante el funcionamiento normal del motor, lo que añade peso y tamaño adicionales a la estructura del motor.

También se describe una disposición alternativa en la solicitud de patente europea EP2728140A2 (mencionada anteriormente) y se muestra en la Figura 2. Usando los números de referencia de la solicitud de patente europea EP2728140A2, una máquina eléctrica 68 está dispuesta dentro de un alojamiento central del motor. Este ejemplo difiere del mostrado en la Figura 1 en que es la máquina 68 la que es accionada desde una salida del engranaje 44, en lugar de un compresor potenciador 24. En este ejemplo, el potenciador 24 es accionado desde el eje 40 de alta presión. Por lo tanto, si bien este ejemplo proporciona una solución para reducir el peso de un conjunto de motor de arranque, se aplica una carga adicional al eje 56 de baja presión, que proporciona una entrada al motor eléctrico 68 y al ventilador, y se aplica también una carga adicional al eje 54 de alta presión, que debe accionar el compresor potenciador 24 y el compresor de alta presión.

Por lo tanto, un sistema que proporcione una mayor relación de compresión para el mismo o un menor diámetro del compresor potenciador y número de etapas potenciadoras que una disposición convencional, que comparta los requisitos de carga de un compresor potenciador entre un eje de baja presión y un eje de alta presión y que proporcione una disposición de motor de arranque eficiente en peso y tamaño, resulta altamente deseable.

Sumario

De acuerdo con la presente divulgación, se proporciona un aparato tal como se establece en las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la invención serán evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y de la siguiente descripción.

Por consiguiente, se proporciona un sistema de compresor para una máquina turbo 10, comprendiendo la máquina turbo 10: un eje de baja presión 36 acoplado a una turbina de baja presión 34; y un eje de alta presión 38 acoplado a una turbina de alta presión 32; siendo el eje de alta presión 38 y el eje de baja presión 36 giratorios alrededor de un eje de rotación central 39; comprendiendo el sistema de compresor: un ventilador 12 accionado por la turbina de baja presión 34 a través del eje de baja presión 36; un compresor potenciador 16; y una unidad de engranaje 40; en donde: el eje de baja presión 36 está acoplado a un primer miembro de entrada 42 de la unidad de engranaje 40; el eje de alta presión 38 está acoplado a un segundo miembro de entrada 44 de la unidad de engranaje 40; y un rotor intermedio 41 está acoplado a un miembro de salida 46 de la unidad de engranaje 40 de manera que el rotor intermedio 41 sea accionable por el eje de baja presión 36 y el eje de alta presión 38; y en el que el rotor intermedio comprende elementos giratorios 16, 43a de: el compresor potenciador 16; y un motor-generador eléctrico 43.

El rotor intermedio 41 puede estar centrado sobre el eje de rotación central 39 y comprende: una región central 45 que forma el compresor potenciador 16; teniendo la región central 45 una primera región de extremo y una segunda región de extremo separadas longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 por la región central 45; un primer acoplamiento 47 se extiende desde la primera región de extremo del rotor intermedio 41 hasta el elemento giratorio 43a del generador de motor eléctrico 43; y un segundo acoplamiento 49 se extiende desde la segunda región de extremo del rotor intermedio 41 hasta la unidad de engranaje 40.

El sistema puede comprender además una primera estructura de estator no giratoria 60 dispuesta alrededor del eje de rotación central 39 y fijada a una carcasa estática 62 del sistema de compresor.

La primera estructura de estator no giratoria 60 puede estar situada longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 entre el ventilador 12 y el compresor potenciador 16.

El elemento giratorio 43a del motor-generador eléctrico 43 puede comprender un conjunto de rotor eléctrico; y el motorgenerador eléctrico 43 puede comprender además un elemento de estator no giratorio 43b acoplado a la primera estructura de estator no giratoria 60.

El sistema puede comprender además una segunda estructura de estator no giratoria (66) proporcionada alrededor del eje de rotación central 39 ubicado longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 entre el compresor potenciador 16 y la turbina de alta presión 32.

El sistema puede comprender además un freno 68 dispuesto entre la estructura de estator no giratoria 60 y el ventilador 12, en donde, el freno 68: en un primer modo de funcionamiento, es operable para bloquear el ventilador 12 con respecto a la estructura de estator no giratoria 60; y en un segundo modo de funcionamiento, es operable para permitir que el ventilador 12 gire alrededor del eje de rotación central 39 con respecto a la estructura de estator no giratoria 60.

El sistema puede comprender además un acoplamiento unidireccional 80 que se proporciona entre el eje de alta presión 38 y la estructura de estator no giratoria 66; el un acoplamiento unidireccional 80 operable para permitir que el eje de alta presión 38 gire alrededor del eje de rotación central 39 en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, pero no en ambos sentidos.

El generador de motor eléctrico puede estar situado fuera de una carcasa exterior del sistema de compresor; y el elemento giratorio del generador de motor eléctrico puede proporcionarse como un eje de toma de fuerza 90; por lo que el eje de toma de fuerza 90 está: acoplado de forma giratoria en un extremo al rotor intermedio 41; y acoplado de forma giratoria en un extremo opuesto al generador de motor eléctrico.

La proporción de par extraído de cada eje 36, 38 puede permanecer constante durante todo el rango de funcionamiento de la máquina turbo 10.

La máquina turbo 10 puede comprender una trayectoria de flujo de núcleo de motor 14, proporcionándose el compresor potenciador 16 en, o aguas abajo de, una entrada de la trayectoria de flujo de núcleo de motor 14 y el ventilador 12 se proporciona aguas arriba del compresor potenciador 16.

La máquina turbo 10 puede comprender además un conducto de derivación 26 radialmente hacia el exterior de la trayectoria de flujo de núcleo de motor 14.

El eje de baja presión 36 y el eje de alta presión 38 están configurados, durante el uso, para girar en sentido contrario.

Por lo tanto, se proporciona un sistema en donde un compresor potenciador y un motor de arranque-generador son accionados ambos a una velocidad de rotación más alta que el ventilador, y son accionados por entradas desde un eje de baja presión y un eje de alta presión. Por lo tanto, la carga del compresor potenciador y del motor de arranquegenerador se comparte entre el eje de baja presión y el eje de alta presión. Esta configuración permite la generación de una alta relación de compresión mientras permite una menor longitud y un menor diámetro del potenciador, además de obviar la necesidad de un motor de arranque-generador externo y, por lo tanto, permite un motor con una relación de potencia y peso/tamaño mayor que la de la técnica relacionada.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirán ejemplos de la presente divulgación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la Figura 1 muestra una disposición de potenciador conocida para un motor de turbina de gas, como se describe en la solicitud de patente europea EP2728140A2;

la Figura 2 muestra otra disposición descrita en la solicitud de patente europea EP2728140A2;

la Figura 3 es una representación esquemática de un motor de turbina de gas que tiene un sistema de ventilador y de compresor de baja presión con un motor-generador eléctrico según la presente divulgación;

la Figura 4 muestra una vista esquemática de una disposición de ventilador y de potenciador para una máquina turbo según la presente divulgación, similar a la mostrada en la Figura 3;

la Figura 5 muestra una vista esquemática de una disposición de ventilador y de potenciador alternativa a la mostrada en la Figura 4;

la Figura 6 es una vista esquemática en sección transversal de una disposición de engranaje epicicloidal del sistema de compresor de la presente divulgación;

la Figura 7 es una vista esquemática en sección transversal alternativa de una disposición de engranaje epicicloidal del sistema de compresor que no forma parte de la invención tal como se reivindica; y

la Figura 8 muestra una vista esquemática de una disposición de rotor abierto que tiene una disposición de ventilador y de potenciador según la presente divulgación.

Descripción detallada

Para evitar dudas, los números de referencia usados en relación con las características de los ejemplos de la presente divulgación mostrados en las Figuras 3 a 8 no tienen relación con el sistema de numeración de las Figuras 1 y 2 de la técnica relacionada.

La Figura 3 y la Figura 4 muestran una máquina turbo 10 según la presente divulgación, por ejemplo un motor de turbina de gas. La turbina de gas 10 comprende un ventilador 12 aguas arriba de la trayectoria de flujo de núcleo de motor 14, la trayectoria de flujo de núcleo de motor 14 definida por un compresor potenciador 16 y un compresor de alta presión 20 adicional separados a lo largo de un conducto común 22.

El ventilador 12, el compresor potenciador 16 y el compresor de alta presión 20 comprenden cada uno al menos un anillo (es decir, una serie) de palas 12a, 16a, 20a de rotor, respectivamente. El compresor potenciador 16 puede comprender adicionalmente una serie o series de paletas de estator aguas arriba, aguas abajo y/o entre las etapas 16a, 20a de rotor. La trayectoria de flujo de núcleo de motor 14 tiene una entrada 24 aguas abajo del ventilador 12. El compresor potenciador 16 se proporciona en la región de la entrada 24 (es decir, en o aguas abajo de la entrada 24), y está también aguas abajo del ventilador 12.

La máquina turbo 10 comprende además un conducto de derivación 26 radialmente hacia el exterior de la trayectoria de flujo de núcleo de motor 14. El ventilador 12 abarca la entrada 24 y el conducto de derivación 26, y es operable para suministrar aire a ambos.

Aguas abajo del compresor de alta presión 20 se proporciona una cámara de combustión 30, una turbina de alta presión 32 y una turbina de baja presión 34. El ventilador 12 está acoplado a un primer eje 36 que a su vez está acoplado a la turbina de baja presión 34. El compresor de alta presión 20 está acoplado a un segundo eje 38 que a su vez está acoplado a la turbina de alta presión 32. El primer eje 36 y el segundo eje 38, durante el uso, giran en sentido contrario. Es decir, durante el uso, el primer eje 36 y el segundo eje 38 giran en direcciones opuestas. El eje de alta presión 38 y el eje de baja presión 36 pueden girar alrededor de un eje de rotación central 39 del sistema de compresor.

También se proporciona una unidad de engranaje 40 (por ejemplo, una unidad de engranaje epicicloidal), ejemplos alternativos de la cual se muestran más detalladamente en la Figura 6 y la Figura 7. El primer eje 36 está acoplado a un primer miembro de entrada 42 de la unidad de engranaje epicicloidal 40. El segundo eje 38 está acoplado a un segundo miembro de entrada 44 de la unidad de engranaje epicicloidal 40. Un rotor intermedio 41 está acoplado a un miembro de salida 46 de la unidad de engranaje epicicloidal 40. Por lo tanto, el rotor intermedio 41 es accionable por el eje de baja presión 36 y el eje de alta presión 38. En otras palabras, el rotor intermedio 41 es accionado a una velocidad y con una potencia de salida, definidas por una relación sumatoria del eje de baja presión 36 y el eje de alta presión 38.

El rotor intermedio 41 comprende elementos giratorios del compresor potenciador 16 y un motor-generador eléctrico 43. En otras palabras, el rotor intermedio 41 comprende partes del compresor potenciador 16 y del motor-generador eléctrico 43 que pueden girar alrededor del eje de rotación central 39. Por lo tanto, tanto el compresor potenciador 16 como el motor-generador eléctrico 43 están acoplados a un miembro de salida 46 de la unidad de engranaje epicicloidal 40.

El rotor intermedio 41 está centrado sobre el eje de rotación central 39. El rotor intermedio 41 comprende una región central 45 que forma el compresor potenciador 16 y soporta palas 16a de rotor. La región central 45 tiene una primera región de extremo y una segunda región de extremo separadas longitudinalmente entre sí a lo largo del eje de rotación central 39 por la región central 45. Un primer acoplamiento 47 se extiende desde la primera región de extremo del rotor intermedio 41 hasta el elemento giratorio 43a del generador de motor eléctrico 43. Un segundo acoplamiento 49 se extiende desde la segunda región de extremo del rotor intermedio 41 hasta la unidad de engranaje epicicloidal 40.

Se proporciona una primera estructura de estator no giratoria 60 alrededor del eje de rotación central 39 y fijada a una carcasa estática 62 del sistema de compresor. La primera estructura de estator no giratoria 60 está situada longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 entre el ventilador 12 y el compresor potenciador 16.

El motor-generador eléctrico 43 puede ser de tipo convencional y comprende elementos de rotor y estator operables para girar uno respecto al otro, bien como motor, cuando sea necesario para hacer girar elementos giratorios del sistema, o como generador eléctrico (por ejemplo, para suministrar electricidad al motor y a los sistemas externos, como un vehículo al que esté acoplado el motor, que puede ser un vehículo terrestre, marítimo o aéreo) cuando la máquina turbo está funcionando en modo autosostenible (por ejemplo, durante el funcionamiento normal). Así, el elemento giratorio 43a del motor-generador eléctrico 43 comprende un conjunto de rotor eléctrico. El motor-generador eléctrico 43 comprende además un elemento de estator no giratorio 43b separado del conjunto 43a de rotor y acoplado a la primera estructura de estator no giratoria 60. En el ejemplo mostrado, el elemento de estator no giratorio 43b está dispuesto radialmente hacia el exterior del elemento 43a de rotor eléctrico.

En un ejemplo alternativo mostrado en la Figura 5, la mayor parte del generador de motor eléctrico del sistema de compresor está situado fuera de una carcasa exterior 62 del sistema de compresor. Así, un rotor eléctrico del generador de motor eléctrico está acoplado al rotor intermedio 41 a través de un eje de toma de fuerza 90. Por lo tanto, el eje 90 se proporciona como un elemento giratorio del generador de motor eléctrico, aunque el generador de motor eléctrico puede comprender otros elementos giratorios además del eje 90.

El eje de toma de fuerza 90 (o elemento giratorio del motor-generador eléctrico) está acoplado al rotor intermedio 41 mediante una disposición de engranajes radiales. La disposición de engranajes radiales puede comprender cualquier disposición de engranajes adecuada para trasladar la rotación del rotor intermedio 41 a la rotación del eje 90 que se extiende alejándose del rotor 41. En el ejemplo mostrado, la disposición de engranajes comprende un conjunto de dientes de engranaje 94 que se extienden en un anillo alrededor del eje de rotación 39, y una rueda de engranaje 96 acoplada al eje 90 y en ángulo recto con, y engranada con, el anillo de engranaje 94. En el ejemplo mostrado, el eje 90 se muestra en sección transversal extendiéndose perpendicular al, y desplazado con respecto al, eje de rotación central 39 (es decir"fuera de la página”).El eje 90 puede girar alrededor de un eje 98, que también se extiende perpendicular al, y desplazado con respecto al, eje de rotación central 39 (es decir"fuera de la página").En otros ejemplos, el eje 90 puede estar en ángulo con el eje de rotación central 39 y/o el eje 98 de eje puede intersecar con el eje de rotación central 39.

Por lo tanto, un extremo del eje 90 está en acoplamiento giratorio con el rotor intermedio 41 y el otro extremo del eje 90 está en acoplamiento giratorio con un rotor eléctrico del motor eléctrico. El eje 90 puede estar en acoplamiento giratorio directo con el rotor eléctrico o puede estar acoplado al rotor eléctrico a través de una disposición de engranajes. Por lo tanto, la rotación del rotor intermedio 41 accionará el motor eléctrico a través del elemento giratorio (es decir, el eje) 90.

Como se muestra en las Figuras 3 a 5, se puede proporcionar un freno 68 entre la estructura de estator no giratoria 60 y el ventilador 12. En un primer modo de funcionamiento, el freno es operable para bloquear el ventilador 12 con respecto a la estructura de estator no giratoria 60. En un segundo modo de funcionamiento, es operable para permitir que el ventilador 12 gire alrededor del eje de rotación central 39 con respecto a la estructura de estator no giratoria 60. El freno puede tener cualquier configuración apropiada, pero puede (por ejemplo, y como se muestra en la Figura 4) incluir un miembro (o disco) 70 que se extiende desde el ventilador 12 que se asienta dentro de un conjunto 72 de almohadilla o zapata que se extiende desde la primera estructura no giratoria 60. El conjunto 72 de zapata puede controlarse para sujetar y liberar el disco 70 mediante un actuador 74 controlado por (por ejemplo) una unidad de control de motor. Por lo tanto, el actuador 74 hace que las almohadillas dentro del conjunto de almohadilla/zapata presionen sobre el miembro 70, aumentando la fricción entre ellos.

Durante el funcionamiento, cuando se utiliza el motor de arranque-generador 43 para hacer girar el sistema de compresor (por ejemplo, para arrancar un motor del que forma parte), se suministra potencia eléctrica desde el vehículo (por ejemplo, un avión) o desde una fuente externa (por ejemplo, una unidad de potencia en tierra) al motor 43 para hacer girar el rotor intermedio 41 y, por tanto, el compresor potenciador 16 (o "intermedio"). Dado que el rotor intermedio 41 está acoplado a la unidad de engranaje 40, la unidad de engranaje 40 aplicará par para girar tanto el eje de alta presión 38 como el eje de baja presión 36. Sin embargo, para arrancar un motor de turbina de gas se debe lograr un cierto flujo de aire a través de la trayectoria de flujo de"motor centra"14 (es decir, el compresor potenciador 16, el compresor de alta presión 20, la cámara de combustión, la turbina de alta presión 32 y la turbina de baja presión 34).

Por lo tanto, el freno 68 puede aplicarse opcionalmente para evitar la rotación del ventilador 12 y el eje de baja presión 36, pero permitir la rotación del compresor potenciador 16 y del compresor de alta presión 20, durante una secuencia de arranque. Con el ventilador 12 bloqueado en un estado no giratorio por el freno 68, la potencia de arranque del motor de arranque-generador 43 se destina a hacer girar el compresor potenciador 16 y el compresor de alta presión 20, y generar así suficiente flujo de aire a través de la trayectoria de flujo central 14.

En ausencia de bloqueo del ventilador 12 en un estado no giratorio, una proporción del flujo de aire será generada por el ventilador 12 y pasará por el conducto de derivación 26 en lugar de por la trayectoria de flujo de motor central 14, desperdiciando así gran parte de la potencia de arranque aplicada, ya que la rotación del eje de baja presión 36 (y por tanto del ventilador 12) no contribuye al arranque del motor.

Una vez arrancado el motor, se libera el freno 68 y el ventilador 12 y el eje de baja presión giran como durante el funcionamiento normal.

Se puede proporcionar una segunda estructura de estator no giratoria 66 alrededor del eje de rotación central 39 y situarse longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 entre el compresor potenciador 16 y la turbina de alta presión 32. En el ejemplo mostrado, la segunda estructura de estator no giratoria 66 está situada longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 39 entre el compresor potenciador 16 y el compresor de alta presión 20.

Se puede proporcionar un acoplamiento unidireccional 80 entre el eje de alta presión 38 y la segunda estructura de estator no giratoria 66. El un acoplamiento unidireccional 80 puede adoptar la forma de un embrague de patín, un trinquete o cualquier otro dispositivo que permita la rotación en una sola dirección.

El un acoplamiento unidireccional 80 es operable para permitir que el eje de alta presión 38 gire alrededor del eje de rotación central 39 en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, pero no en ambos sentidos.

Esto resulta ventajoso porque, bajo ciertas circunstancias, un motor aeronáutico debe poder volver a arrancar durante el vuelo. Esto se conoce como "arranque en vuelo del aeromotor". En tal rearranque, un efecto de ariete provocado por la velocidad de avance de la aeronave hace girar los compresores (de forma que "giran por la acción del viento") y esto permite que el motor vuelva a arrancar sin necesidad de potencia externa. La posibilidad de hacerlo es un importante elemento de seguridad.

En este caso, la potencia del ventilador eólico 12 se transmite a través del engranaje 40, induciendo así la rotación del compresor potenciador 16. Sin embargo, el par de "aeromotor" del ventilador 12 puede aplicar un par al eje de alta presión 38 en la dirección opuesta a su dirección normal de rotación. Sin embargo, el un acoplamiento unidireccional 80 evita la rotación inversa y, por lo tanto, contribuye al éxito de la capacidad de "arranque en vuelo del aeromotor".

Como se muestra en la Figura 6, el miembro de salida 46 de la unidad de engranaje epicicloidal 40 es un engranaje anular (o "anillo") 48 situado radialmente hacia el exterior y engranado de manera giratoria con una serie de engranajes satélites 50. El primer elemento de entrada 42 de la unidad de engranaje epicicloidal 40 se proporciona como un portasatélites 52, en donde el portasatélites 52 sostiene la serie de engranajes satélites 50. La serie de engranajes satélites 50 está radialmente hacia el exterior y engranada de manera giratoria con el segundo miembro de entrada 44. El segundo miembro de entrada 44 de la unidad de engranaje epicicloidal 40 se proporciona como un engranaje central 54.

Es decir, en los ejemplos de las Figuras 3 a 6, el primer eje (o "eje de baja presión") 36 está acoplado al portasatélites 52, el segundo eje (o "eje de alta presión") 38 está acoplado al engranaje central 54 y el rotor intermedio 41 (y por lo tanto el rotor 45 del compresor potenciador 16 y el elemento giratorio 43a, 90 del motor-generador eléctrico) está acoplado al engranaje anular 48. En la Figura 6 (y la Figura 7) la conexión entre los componentes anteriores se indica mediante la inclusión de los números de referencia del rotor intermedio 41, el primer eje 36 y el segundo eje 38 entre paréntesis junto a los números de referencia del portasatélites 52, el engranaje anular 48 y el engranaje central 54, según corresponda. Por lo tanto, el rotor intermedio 41 está en acoplamiento giratorio con y, durante el uso, es impulsado por, el primer eje (baja presión) 36 y el segundo eje (alta presión) 38, donde el primer eje (baja presión) 36 y el segundo eje (alta presión) 38, durante el uso, giran en direcciones opuestas entre sí. Por lo tanto, en la Figura 6, el ventilador 12 (acoplado al primer eje de baja presión 36) y el rotor intermedio 41 están configurados para girar en la misma dirección durante el uso, y el compresor de alta presión 20 (acoplado al eje segundo/de alta presión 38) está configurado para girar en una dirección opuesta al ventilador 12 y al rotor intermedio 41 durante el uso.

En un ejemplo alternativo que se muestra en la Figura 7, que no es según la presente invención, el primer eje (o "eje de baja presión") 36 está acoplado al engranaje anular 48, el segundo eje (o "eje de alta presión") 38 está acoplado al engranaje central 54 y el rotor intermedio 41 está acoplado al portasatélites 52. Por lo tanto, el rotor intermedio 41 está en acoplamiento giratorio con y, durante el uso, es impulsado por, el primer eje (baja presión) 36 y el segundo eje (alta presión) 38, donde el primer eje (baja presión) 36 y el segundo eje (alta presión) 38, durante el uso, giran en el mismo sentido. Así, el compresor de alta presión 20 (acoplado al segundo eje de alta presión 38) y el ventilador 12 (acoplado al primer eje de baja presión 36) y el rotor intermedio 41, están configurados para girar en la misma dirección durante el uso.

Otros ejemplos del dispositivo de la presente divulgación, que no son según la presente invención, pueden configurarse de manera que un compresor potenciador y un motor-generador eléctrico sean accionados por los ejes de baja y alta presión a través de una disposición de engranajes diferenciales.

En un ejemplo que no es según la presente invención, los diámetros del engranaje central 42, los engranajes satélites 44 y el engranaje anular 48 de la unidad de engranaje epicicloidal 40 se proporcionan de manera que, durante el uso, el rotor intermedio 41 gira en la misma dirección que el ventilador 12 y, sobre un rango predeterminado de velocidades de rotación del primer eje 36 y del segundo eje 38, el rotor intermedio 41 gira más rápido que el ventilador 12 y más despacio que el compresor de alta presión. Es decir, la velocidad de rotación del rotor intermedio 41 es intermedia entre la velocidad del ventilador y la velocidad del compresor de alta presión. La velocidad real del rotor intermedio 41 es función tanto de la velocidad del eje de baja presión como de la velocidad del eje de alta presión, combinadas con las dimensiones geométricas de los engranajes de la disposición epicicloidal.

En la Figura 8 se muestra un ejemplo alternativo de una máquina turbo con sistema de compresor según la presente divulgación. Los componentes giratorios se muestran en una representación esquemática, omitiéndose los detalles de otros componentes del motor (por ejemplo, carcasas, cámaras de combustión, paletas de estator y estatores eléctricos) para mayor claridad.

El ejemplo de la Figura 8 se relaciona con una configuración de "rotor abierto" que incorpora las características del compresor potenciador/intermedio y el generador de arranque combinados, acoplados a una salida de una unidad de engranaje, teniendo la unidad de engranaje entradas desde un eje de baja presión y un eje de alta presión.

A modo de antecedente, las configuraciones de rotor abierto requieren un mayor grado de integración del sistema de propulsión que los turboventiladores convencionales. Además, las aeronaves emplearán cada vez más tecnología eléctrica, que ofrece una mayor reducción de peso y consumo de combustible al sustituir a los sistemas hidráulicos y de purga de aire convencionales. Esto impone al motor mayores exigencias de extracción de potencia de los sistemas de la aeronave, que son particularmente difíciles de satisfacer a bajos niveles de potencia del motor, que la invención de la presente divulgación está configurada para superar.

La Figura 8 muestra una máquina turbo 110 que comprende un eje de baja presión 136 acoplado a una turbina de baja presión 134 (o"turbina de potencia libre")y un eje de alta presión 138 acoplado a una turbina de alta presión 132. El eje de alta presión 138 y el eje de baja presión 136 pueden girar alrededor de un eje de rotación central 139. El sistema de compresor comprende un ventilador (o hélice) 112, en la "parte trasera" o "extremo posterior" nominal de la máquina. El ventilador 112 puede comprender dos filas de palas de ventilador, que pueden estar unidas rotacionalmente por una caja de engranajes 113. El ventilador 112 es accionado por la turbina de baja presión (o "libre") 134 a través del eje de baja presión 136. También se proporciona un compresor potenciador (o"primera etapa")116 en la "parte frontal" o "extremo delantero" nominal de la máquina. Así, los compresores 116, 120, las turbinas 132, 134 y el ventilador 112 definen la trayectoria de flujo de aire a través del sistema, en la dirección indicada por la flecha "A".

Por motivos de claridad, los distintos elementos se muestran con diferentes patrones cruzados para mostrar qué partes están conectadas. El eje de baja presión 136 está acoplado a un primer miembro de entrada 142 de una unidad de engranaje 140, que puede ser un engranaje epicicloidal. El eje de alta presión 138 está acoplado a un segundo miembro de entrada 144 de la unidad de engranaje 140. Un rotor intermedio 141 está acoplado a un miembro de salida 146 de la unidad de engranaje 140. Por lo tanto, el rotor intermedio 141 es accionable por el eje de baja presión 136 y el eje de alta presión 138.

Al igual que con los ejemplos de las Figuras 3 a 5, el rotor intermedio 141 comprende elementos giratorios 116, 143a del compresor potenciador 116 y un motor-generador eléctrico 143.

El rotor intermedio 141 está centrado sobre el eje de rotación central 139 y comprende una región central 145 que forma el compresor potenciador 116. La región central 145 tiene una primera región de extremo y una segunda región de extremo separadas longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central 139 por la región central 145. Un primer acoplamiento 147 se extiende desde la primera región de extremo del rotor intermedio 141 hasta el elemento giratorio 143a del generador de motor eléctrico 143. Un segundo acoplamiento 149 se extiende desde la segunda región de extremo del rotor intermedio 141 hasta la unidad de engranaje epicicloidal 140.

Por lo tanto, la Figura 8 ilustra una arquitectura para una configuración de motor de empuje de rotor abierto con engranajes de giros contrarios. Muestra un eje de alta presión y un eje de transmisión de avance de una turbina de potencia libre, ambos conectados al compresor potenciador 116 y al generador de motor eléctrico 143 a través de la unidad de engranaje 140.

Esto tiene el efecto de que el potenciador 116 y el generador de motor eléctrico 143 extraen potencia tanto de la turbina de alta presión 132 como de la turbina de potencia libre 134 y funcionan en un rango de velocidades entre los dos ejes. Esta disposición permite optimizar de forma más flexible la división del trabajo de los compresores y las turbinas y, por tanto, permite un diseño más eficiente. También permite conseguir relaciones de presión central más altas con el número mínimo de etapas de turbina.

Adicionalmente, uniendo el motor de arranque-generador 143 al compresor potenciador 116, la potencia eléctrica de la aeronave puede ser suministrada por ambas turbinas.

Además, y como se describe en relación con los ejemplos de las Figuras 3 a 5, también se puede proporcionar un freno en las palas del ventilador/hélice 112. Esto permite arrancar el motor 110 mediante una única máquina eléctrica 143 que puede funcionar en modo de arranque o generador.

Por lo tanto, en el funcionamiento del sistema de ventilador y de compresor de la presente divulgación, la disposición es tal que se suministra par para accionar un rotor intermedio 41, 141 tanto desde el primer eje (de baja presión) 36, 136 como desde el segundo eje (de alta presión) 38, 138.

La proporción de par extraído de cada eje 36, 136; 38, 138 permanece constante en todo el rango de funcionamiento de la máquina turbo 10. Puede estar dictado por los diámetros del engranaje central 42, los engranajes satélites 44 y el engranaje anular 48 de la unidad de engranaje epicicloidal 40. Tanto la velocidad del rotor intermedio 41, 141 como el reparto de par entre el primer eje (de baja presión) 36, 136 y el segundo eje (de alta presión) 38. 138 pueden optimizarse para un diseño particular de motor, por ejemplo, cambiando los diámetros del engranaje central 42, los engranajes satélites 44 y el engranaje anular 48 de la unidad de engranaje epicicloidal 40, 140.

Aunque los ejemplos anteriores se describen con referencia a una unidad de engranaje epicicloidal, como alternativa podrá utilizarse cualquier unidad de engranaje diferencial adecuada.

El dispositivo de la presente divulgación proporciona la ventaja de que el compresor potenciador puede alcanzar una velocidad de rotación más alta, lo que reduce el número de etapas de baja presión y/o alta presión necesarias para alcanzar la relación de alta presión deseada, lo que reduce la longitud y el peso necesarios del motor. Además, no es necesario que el diámetro del compresor potenciador sea tan grande como el de una disposición de potenciador convencional.

El dispositivo permite optimizar de forma más flexible la división del trabajo entre los ejes de alta y baja presión dentro de las limitaciones generales de diseño mecánico y aerodinámico de los componentes.

El consiguiente diámetro reducido del compresor potenciador permite que la forma del conducto entre el potenciador y el compresor de alta presión sea más aerodinámica, reduciendo así la pérdida de presión en el conducto.

También se puede mejorar la adaptación del motor fuera de diseño, reduciendo el consumo específico de combustible fuera de diseño. La velocidad del potenciador es una función de las velocidades de los ejes de baja presión y alta presión, y esta función puede optimizarse para adaptarse mejor a las velocidades del compresor en condiciones fuera de diseño.

Un diámetro menor del compresor potenciador también reduce el diámetro del cubo del ventilador y, por lo tanto, reduce el diámetro de la punta del ventilador para un área de flujo determinada y, por lo tanto, la resistencia del motor cuando se usa en una aeronave.

Se reduce la carga de par para el eje de baja presión, lo que permite un eje de menor diámetro y componentes de alta presión más livianos (p. ej., discos).

El aumento del trabajo por etapa en el compresor potenciador también aumentará la temperatura del aire aguas abajo de la primera o única etapa del rotor del compresor potenciador y, por lo tanto, eliminará la necesidad de antihielo de los estatores del compresor aguas abajo.

Asimismo, dado que se reduce el diámetro del potenciador, puede reducirse el ángulo Hade en el interior del ventilador y, por tanto, el diámetro exterior a la salida del ventilador y el diámetro del conducto de derivación pueden ser menores que en una disposición convencional. Esto permite una reducción adicional en el diámetro exterior y el peso de la góndola.

La provisión del motor de arranque-generador integrado 43, 143 proporciona la ventaja de que no hay necesidad de ejes de transmisión y caja de engranaje asociados con los sistemas convencionales de motor de arranque en los que un motor eléctrico está montado en el exterior del motor. Esto ayuda a reducir el peso y el coste del sistema. Adicionalmente, dado que el motor de arranque-generador se encuentra dentro del sistema de compresor, la góndola del motor a la que está asociada puede hacerse más delgada, lo que, durante el uso, reducirá la resistencia aerodinámica y hará que el sistema consuma menos combustible.

Se sabe que los motores convencionales de alta relación de derivación, que pueden ser necesarios para proporcionar grandes cantidades de potencia eléctrica a los sistemas de la aeronave para suministrar el acondicionamiento de la cabina y los sistemas de control de vuelo, sufren problemas al extraer esta alta potencia. Si la potencia se extrae del eje de alta presión, esto puede hacer que el motor se sobrecargue o se pare en determinadas circunstancias. Si la potencia se extrae del eje de baja presión, la gran variación de velocidad entre plena potencia y baja potencia (como cuando la aeronave está descendiendo) puede causar dificultades con el generador eléctrico. Si el generador está diseñado para alta velocidad, es posible que no genere suficiente potencia a baja velocidad. Si el generador está conectado como en la presente descripción, su rango de velocidad se reduce considerablemente y, dado que la extracción de potencia se comparte entre los ejes de baja y alta presión, el efecto sobre el eje de alta presión se reduce mucho.

Con referencia a la disposición de rotor abierto mostrado en la Figura 8, el uso de la unidad de engranaje 140 acoplada al compresor potenciador 116 y al motor de arranque-generador-143 para mejorar el rendimiento del motor y proporcionar un medio más eficiente de extracción de potencia eléctrica no se limita a esta configuración. Puede aplicarse a configuraciones de rotor abierto de tractor en las que puede haber más espacio para pasar el eje libre de la turbina de potencia a través del motor central.

Además, la provisión de una unidad de engranaje 40, 140 acoplada a un compresor potenciador 16, 116 y a un motor de arranque-generador 43, 143 según la presente divulgación también puede incluirse en configuraciones de motor turbohélice o turboeje como medio de mejorar el rendimiento y proporcionar una extracción de potencia más eficiente.

La mayor flexibilidad que ofrece el dispositivo para optimizar el diseño del motor permite alcanzar el rendimiento deseado utilizando tecnologías probadas más convencionales, lo que reducirá el riesgo y el coste de desarrollo.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Una máquina turbo (10) que comprende:

un eje de baja presión (36) acoplado a una turbina de baja presión (34); y

un eje de alta presión (38) acoplado a una turbina de alta presión (32),

siendo el eje de alta presión (38) y el eje de baja presión (36) giratorios alrededor de un eje de rotación central (39);

un sistema de compresor que comprende:

un ventilador (12) accionado por la turbina de baja presión (34) a través del eje de baja presión (36); un compresor potenciador (16); y

una unidad de engranaje epicicloidal (40); y

comprendiendo además la máquina turbo (10) un rotor intermedio que comprende elementos giratorios (16, 43a) de:

el compresor potenciador (16); y

un motor-generador eléctrico (43);

caracterizado por que:

el eje de baja presión (36) está acoplado a un portasatélites (52) de la unidad de engranaje epicicloidal (40); el eje de alta presión (38) está acoplado a un engranaje central (54) de la unidad de engranaje epicicloidal (40); un rotor intermedio (41) está acoplado a un engranaje anular (48) de la unidad de engranaje epicicloidal (40); y el eje de baja presión (36) y el eje de alta presión (38) están configurados, durante el uso, para girar en sentido contrario;

de manera que el rotor intermedio (41) y el motor-generador eléctrico (43) son accionados por el eje de baja presión (36) y el eje de alta presión (38) a una velocidad y con una potencia de salida definidas por una relación sumatoria del eje de baja presión (36) y el eje de alta presión (38).

2. La máquina turbo (10) según la reivindicación 1, en donde

el rotor intermedio (41) está centrado sobre el eje de rotación central (39) y comprende:

una región central (45) que soporta las palas (16a) de rotor el compresor potenciador (16);

teniendo la región central (45) una primera región de extremo y una segunda región de extremo separadas longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central (39) por la región central (45);

un primer acoplamiento (47) se extiende desde la primera región de extremo del rotor intermedio (41) hasta el elemento giratorio (43a) del motor-generador de motor eléctrico (43); y

un segundo acoplamiento (49) se extiende desde la segunda región de extremo del rotor intermedio (41) hasta la unidad de engranaje epicicloidal (40),

de manera que el primer acoplamiento (47), la región central (45) que soporta las palas (16a) de rotor y el segundo acoplamiento (49) están dispuestos en serie a lo largo del eje de rotación central (39).

3. La máquina turbo (10) según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende:

una primera estructura de estator no giratoria (60) proporcionada alrededor del eje de rotación central (39) y fijada a una carcasa estática (62) del sistema de compresor.

4. La máquina turbo (10) según la reivindicación 3, en donde

la primera estructura de estator no giratoria (60) está situada longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central (39)

entre el ventilador (12) y el compresor potenciador (16).

5. La máquina turbo (10) según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, que comprende:

el elemento giratorio (43a) del motor-generador eléctrico (43) comprende un conjunto de rotor eléctrico; y el motor-generador eléctrico (43) comprende además un elemento de estator no giratorio (43b) acoplado a la primera estructura de estator no giratoria (60).

6. La máquina turbo (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, que comprende además:

una segunda estructura de estator no giratoria (66) proporcionada alrededor del eje de rotación central (39) situada longitudinalmente a lo largo del eje de rotación central (39)

entre el compresor potenciador (16) y la turbina de alta presión (32).

7. La máquina turbo (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde

se proporciona un freno (68) entre la primera estructura de estator no giratoria (60) y el ventilador (12), en donde, el freno (68):

en un primer modo de funcionamiento, es operable para bloquear el ventilador (12) con respecto a una estructura de estator no giratoria (60); y

en un segundo modo de funcionamiento, es operable para permitir que el ventilador (12) gire alrededor del eje de rotación central (39) con respecto a la estructura de estator no giratoria (60).

8. La máquina turbo (10) según las reivindicaciones 6 o 7, en donde

se proporciona un acoplamiento unidireccional (80) entre el eje de alta presión (38) y la segunda estructura de estator no giratoria (66);

el un acoplamiento unidireccional (80) operable para permitir que el eje de alta presión (38) gire alrededor del eje de rotación central (39) en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, pero no en ambos sentidos.

9. La máquina turbo (10) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la máquina turbo (10) comprende una trayectoria de flujo de núcleo de motor (14), proporcionándose el compresor potenciador (16) en, o aguas abajo de, una entrada de la trayectoria de flujo de núcleo de motor (14) y el ventilador (12) se proporciona aguas arriba del compresor potenciador (16).

10. La máquina turbo (10) según la reivindicación 9, en donde la máquina turbo (10) comprende además un conducto de derivación (26) radialmente hacia el exterior de la trayectoria de flujo de núcleo de motor (14).

11. Un motor de turbina de gas que comprende una máquina turbo (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.