WO2009144345A1 - Configuración de la instalación neumática en la zona de cola de un avión - Google Patents

Configuración de la instalación neumática en la zona de cola de un avión Download PDF

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David ROJAS SÁNCHEZ
José CARVAJAL CORNEJO
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Airbus España, S.L.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D41/00—Power installations for auxiliary purposes

Definitions

  • the present invention refers to the structure of the pneumatic air conditioning installation in the tail area of an airplane; which aims to provide a new structure that allows to reduce the length of the pneumatic installation conduction and eliminate the elbows that said conduction presents in the tail area of an airplane, so that the installation has a lower cost, a lower weight , and lower pressure losses in driving.
  • the invention is applicable in any type of passenger aircraft, and more specifically it is part of the development of the new generation of double-aisle and long-range aircraft that are increasingly equipped with more and in turn more complex systems, so that demand increasing energy for its operation.
  • airplanes include a pneumatic air conditioning installation comprising an auxiliary power unit (APU) that is determined by an auxiliary engine that is responsible for starting the main engines of the aircraft, as well as supplying electrical and pneumatic power to the airplane systems while the main engines are off.
  • APU auxiliary power unit
  • the joint use of the APU with the main engines is also contemplated when an extra power input is required.
  • This engine is traditionally located in the rear tail cone of the plane, or also known as section 19.1. Its operation is that of a jet engine, although smaller than the main ones.
  • the electrical energy is obtained by a generator driven by the motor shaft itself, and the mechanical energy is obtained by means of an air bleed of the first compression stages that circulates through it and that is absorbed from the outside of the aircraft.
  • pneumatic driving incorporates elements of movement compensation that may have driving, movement that is more critical the closer we are to the APU, since being a motor the vibrations are transmitted to the driving, especially in transient regimes or malfunction. Therefore it is necessary to compensate the movements of the APU so that they are not transmitted to the conduction, which could result in failures or fatigue breakages. Therefore, the design of the pneumatic installation in the area of the tail of the plane is especially delicate, since the APU is located there.
  • the invention has developed a new structure of the pneumatic air conditioning installation in the tail area of an aircraft, which, like conventional ones, is equipped with an auxiliary power unit ( APU) of pneumatic and electrical power supply, whose pneumatic power output is connected to a conduction that before reaching the area of the pressurized passenger cabin is located at the bottom of the plane; counting the conduction with thermal expansion compensation and vibration compensation elements that the APU produces in its operation.
  • APU auxiliary power unit
  • the novelty of the invention is that the output of the power of the APU is arranged in its front part in which the conduit which is constituted by a straight tube inclined and descending towards the front part of the plane is connected.
  • the thermal expansion and vibration compensation elements produced by the APU are interposed in said tube, so that by means of this new structure the length of the pneumatic conduction is considerably reduced and the elbows that are conventionally incorporated into the same.
  • This new configuration has the great advantage that pressure losses are considerably reduced, by avoiding elbows in such a critical area and reducing the length of the conduction, and therefore friction. It also has a lower complexity by reducing the number of necessary elements in the installation, while reducing the weight and cost of the installation.
  • Figure 1. Shows a schematic side view of an airplane in which a conventional structure of the pneumatic air conditioning installation has been included.
  • Figure 2. Shows a plan view of the previous figure.
  • Figure 3. Shows a conventional schematic view of the area of the conduit leaving the APU.
  • Figure 4. Shows a schematic side representation of a possible embodiment of the structure of the invention. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
  • the facilities pneumatic air conditioning in the area of the tail of the plane comprise an APU 1, whose upper part has an air outlet in which a conduit 2 is connected that initially runs through the top of the plane, and that has to be located in the lowest part of the plane before reaching the area of the pressurized passenger cabin 3.
  • APU 1 whose upper part has an air outlet in which a conduit 2 is connected that initially runs through the top of the plane, and that has to be located in the lowest part of the plane before reaching the area of the pressurized passenger cabin 3.
  • a reinforcement frame 4 that has to support the weight of the vertical plane 9 , so that its upper section 4a is much larger than its lower section 4b.
  • conduit 2 has a considerable diameter, so there is little space to allow the conduction 2 to be lowered to the lower area of the plane, which determines that in the majority of the state of the art the conduction 2 runs along the part top of the plane passing over the tail stabilizer 5. For this it is necessary to practice some trades in the upper section 4a of the frame 4 so that the passage of the conduit 2 is allowed.
  • the invention has developed a new structure in which it is envisaged that the power output of the APU 1 is arranged in its front part for which it is necessary to redesign the APU 1, so that the conduction is connected over the same, which allows the conduction to be constituted by a straight and inclined downward tube 2a towards the front part of the plane, so that it reaches the frame 4 by its lower part, which determines that the conduit 2 can pass through the lower part of the opening of the frames 4, that is, on the upper edge of the lower section 4b of the frame 4, the lower section 4b being much smaller than the upper section 4a of the frame 4, as already It was noted, so that the new arrangement of the invention does not affect the structure of the frame 4 and allows the passage through the bottom of the horizontal stabilizer 5 without having to incorporate tion of elbows 7.
  • the thermal expansion compensation and compensation elements 6 are interleaved to preserve the tube 2a from being able to suffer fatigue breakage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Duct Arrangements (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Que comprende una unidad auxiliar de potencia (1) de suministro de potencia neumática y eléctrica, cuya salida de potencia neumática está unida a una conducción (2) que convencionalmente incorpora codos (2) y elementos de compensación (6) de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones que produce la APU (1) en su funcionamiento. Se caracteriza porque la salida de potencia de la APU (1) está dispuesta en su parte frontal en la que conecta la conducción que está constituida por un tubo (2a) recto inclinado descendente hacia la parte inferior del avión en el que se intercalan los elementos de compensación de dilatación térmica y de compensación (6) de las vibraciones, para reducir la longitud de la conducción (2) y eliminar los codos, de forma que se reducen las pérdidas de presión considerablemente.

Description

CONFIGURACIÓN DE LA INSTALACIÓN NEUMÁTICA EN LA ZONA DE
COLA DE UN AVIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a la estructura de la instalación neumática de acondicionamiento de aire en la zona de cola de un avión; que tiene por objeto proporcionar una nueva estructura que permite reducir la longitud de la conducción de la instalación neumática y eliminar los codos que dicha conducción presenta en la zona de cola de un avión, de manera que la instalación tiene un menor coste, un menor peso, y menores pérdidas de presión en la conducción.
En general la invención es aplicable en cualquier tipo de avión de pasajeros, y más concretamente se enmarca dentro del desarrollo de la nueva generación de aviones de doble pasillo y largo alcance que cada vez están equipados con más sistemas y a su vez más complejos, por lo que demandan cada vez mayor energía para su funcionamiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Es conocido que los aviones incluyan una instalación neumática de acondicionamiento de aire que comprende una unidad de potencia auxiliar (APU) que está determinada por un motor auxiliar que se encarga de arrancar los motores principales del avión, así como suministrar energía eléctrica y neumática a los sistemas del avión mientras los motores principales están apagados. También está contemplado el uso conjunto de la APU con los motores principales cuando se requiere un aporte extra de potencia .
Este motor está ubicado tradicionalmente en el cono de cola trasero del avión, o también conocido como sección 19.1. Su funcionamiento es el de un motor a reacción, aunque de menor tamaño que los principales. Por lo tanto, la energía eléctrica la obtiene mediante un generador arrastrado por el propio eje motor, y la energía mecánica la obtiene mediante un sangrado de aire de las primeras etapas de compresión que circula a través de él y que se absorbe del exterior del avión.
La demanda de energía eléctrica en los sistemas del avión, incluso en tierra, cuando los motores principales están apagados, es cada vez mayor. Por tanto, la potencia que puede suministrar la APU se ve cada vez más comprometida. En consecuencia, cuanta menor potencia de la APU se ha de dedicar a suministrar energía neumática, mayor cantidad de energía se podrá dedicar a la potencia eléctrica .
Hay un alto porcentaje de presión que se consume en la conducción neumática que transmite el aire desde la APU a los sistemas que la demandan. Estas pérdidas se producen en mayor medida en los codos incluidos en la conducción, los cuales cuanto más cerca se encuentren de la fuente de suministro (la APU), mayores pérdidas producen, ya que hay una relación exponencial entre pérdidas y presión, a mayor presión mayor es la caída de presión por un codo y la fricción. Por consiguiente cuanto más cerca de la APU se encuentren los codos, más perjudiciales son estos para el funcionamiento global del sistema.
Además, la conducción neumática incorpora elementos de compensación del movimiento que pueda tener la conducción, movimiento que es más crítico cuanto más próximos nos encontremos a la APU, ya que al tratarse de un motor las vibraciones se transmiten a la conducción, especialmente en regímenes transitorios o de mal funcionamiento. Por consiguiente es necesario compensar los movimientos de la APU para que no se transmitan a la conducción, lo que podría derivar en fallos o roturas por fatiga. Por consiguiente es especialmente delicado el diseño de la instalación neumático en la zona de la cola de avión, ya que en ella se encuentra la APU.
La forma tradicional de abordar esta compensación de los movimientos de la APU es mediante tres codos previstos en la conducción, que permiten compensar las dilataciones térmicas, y tres elementos compensadores como normalmente juntas cardan que absorben los movimientos angulares. Esta configuración tiene el inconveniente de que se introducen una gran cantidad de pérdidas al disponerse los tres codos próximos a la APU, lo que además determina que la conducción tenga una longitud extra, precisamente en la zona más sensible a las pérdidas de presión. Además, existe el problema adicional de que la conducción sale de la parte alta de la APU y a lo largo de la zona presurizada en la que se encuentran los pasajeros, la conducción neumática debe de encontrarse por debajo de la cabina de los pasajeros, por lo que hay que alcanzar la zona baja del avión antes de llegar a las secciones presurizadas .
Por otro lado, cabe señalar que entre la APU y la zona presurizada, existe un obstáculo importante determinado por el estabilizador horizontal del avión (HTP) que ocupa de lado a lado todo el volumen del avión, dejando únicamente paso libre por encima o por debajo de él. Por ello es habitual que la conducción neumática pase por encima del estabilizador y una vez salvado este obstáculo desciende a la parte baja del avión. Además existe el impedimento de las cuadernas de unión entre las secciones de avión que contiene a la APU y las que contiene al estabilizador. Esta cuaderna de unión es del tipo celosía que presenta una abertura central dejando huecos limitados a través de los cuales puede pasar la conducción neumática. Dado que la cuaderna - A - se encuentra antes del alcanzar el estabilizador horizontal, reduce aún más la longitud en la que hay que realizar la compensación de movimientos desde la salida de la APU, y justifica aún más el que la conducción neumática pase por encima del estabilizador horizontal.
Además hay que añadir que en esta zona se soporta el peso del plano vertical de cola, por lo que las cuadernas presentan en su parte superior una mayor sección que en la inferior para soportar el peso indicado. Todo ello determina que frecuentemente haya que agujerear las cuadernas estructurales del avión en esta zona, con las dificultades e inconvenientes que ello implica, ya que éstas se realizan mediante material metálico y fibra de carbono, de manera que el uso de la fibra dificulta el poder realizar agujeros, que han de ser de gran tamaño para permitir el paso de la conducción neumática, lo que representa un gran problema, al encontrarse estas zonas cargadas estructuralmente, lo que complica considerablemente el diseño de las cuadernas, derivando en aumento de peso.
Adicionalmente a lo anterior, el diseño de la conducción por encima del estabilizador horizontal tiene más recorrido en comparación con un diseño que fuera por debajo, lo cual se traduce en que el propio sistema genera más pérdidas de presión, y un incremento del peso de la conducción.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención ha desarrollado una nueva estructura de la instalación neumática de acondicionamiento de aire en la zona de cola de un avión, que al igual que las convencionales está dotada de una unidad auxiliar de potencia (APU) de suministro de potencia neumática y eléctrica, cuya salida de potencia neumática está unida a una conducción que antes de llegar a la zona de la cabina presurizada de pasajeros se sitúa en la parte inferior del avión; contando la conducción con elementos de compensación de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones que produce la APU en su funcionamiento. La novedad de la invención radica en que la salida de la potencia de la APU está dispuesta en su parte frontal en la que se conecta la conducción que está constituida por un tubo recto inclinado y descendente hacia la parte anterior del avión. Además en dicho tubo se intercalan los elementos de compensación de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones que produce la APU, de forma que mediante esta nueva estructura se reduce considerablemente la longitud de la conducción neumática y se eliminan los codos que convencionalmente se incorporan en la misma.
Esta nueva configuración tiene la gran ventaja de que se reducen considerablemente las pérdidas de presión, al evitar codos en una zona tan critica y reducir la longitud de la conducción, y por tanto la fricción. Además presenta una menor complejidad al reducir el número de elementos necesarios en la instalación, al tiempo que reduce el peso y el coste de la instalación. También permite alcanzar la zona baja del avión de una forma directa, inmediatamente a la salida de la APU, lo que permite que el tubo pase por la parte inferior del estabilizador horizontal y además el tubo pasa por la parte inferior de la abertura que presentan las cuadernas, es decir, por la parte superior de la sección inferior de la cuaderna, ya que tal y como fue señalado en el apartado anterior, la sección inferior de las cuadernas es mucho menor en su parte inferior que en la superior, lo que evita la necesidad de practicar orificios en las cuadernas y se reduce la longitud de la conducción y se aumenta el espacio disponible para la instalación y mantenimiento de la misma.
Adicionalmente se consigue un mayor espacio en la zona adyacente de la APU, ya que el volumen que ocupa la conducción en esta zona es mucho menor, lo que favorece el mantenimiento de la APU y de sus zonas adyacentes.
A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.
BREVE ENUNCIADO DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Muestra una vista lateral esquemática de un avión en el que se ha incluido una estructura convencional de la instalación neumática de acondicionamiento de aire.
Figura 2.- Muestra una vista en planta de la figura anterior .
Figura 3.- Muestra una vista esquemática convencional de la zona de la conducción que sale de la APU.
Figura 4.— Muestra una representación esquemática lateral de un posible ejemplo de realización de la estructura de la invención. DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
A continuación se realiza una descripción de la invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
En primer lugar, y para facilitar la comprensión de la invención, se describe una estructura convencional de la instalación neumática de acondicionamiento de aire en la zona de cola de un avión con ayuda de las figuras 1 a
3, de manera que se complementa y facilita la comprensión del apartado de antecedentes de la invención.
Tal y como ya fue descrito en dicho apartado de antecedentes de la invención, las instalaciones neumáticas de acondicionamiento de aire en la zona de la cola del avión, comprenden una APU 1, en cuya parte superior presenta una salida de aire en la que se conecta una conducción 2 que inicialmente discurre por la parte superior del avión, y que ha de situarse en la parte más baja del avión antes de llegar a la zona de la cabina presurizada de pasajeros 3. Se da la circunstancia de que en proximidad a la APU 1 existe una cuaderna 4 de refuerzo que ha de soportar el peso del plano vertical 9, por lo que su sección superior 4a es mucho mayor que su sección inferior 4b.
Además la conducción 2 tiene un diámetro considerable, por lo que existe poco espacio para permitir bajar la conducción 2 a la zona inferior del avión, lo que determina que en la mayoría de los casos del estado de la técnica la conducción 2 discurra por la parte superior del avión pasando por encima del estabilizador de cola 5. Para ello es necesario practicar unos oficios en la sección superior 4a de la cuaderna 4 de forma que se permita realizar el paso de la conducción 2.
Esta configuración determina una gran longitud de la conducción 2 y la incorporación de codos 4, circunstancias que repercuten en una gran pérdida de presión, tal y como ya fue señalado anteriormente.
Por otro lado, es necesario compensar las vibraciones que la APU 1 transmite a la conducción 2, lo cual se efectúa mediante elementos de compensación 6 de las vibraciones que produce la APU en su funcionamiento y mediante los propios codos 7 que se precisan en la instalación, que además realizan compensación de las dilataciones térmicas de forma que se absorben los movimientos angulares que proporciona la APU y preservan a la conducción 2 de sufrir fatigas y esfuerzos que afectan a su vida útil. La forma tradicional de abordar estas compensaciones de los movimientos de la APU es mediante tres codos 7 tal y como se muestra en la figura 3, que no tienen por que estar contenidos en el mismo plano, y mediante la incorporación de tres elementos compensadores 6, normalmente constituidos por juntas cardan.
Cuanto mayor es el área 8 del triángulo formado por los elementos compensadores 6, mayor es la capacidad de absorber movimientos en la conducción 2. El problema que tiene esta solución, sencilla y efectiva desde el punto de vista de compensación de movimientos, es la cantidad de pérdidas de presión que introduce en la conducción ya que se consigue mediante codos 7 y un extra de longitud, precisamente en la zona más sensible a estas pérdidas.
Para resolver estos inconvenientes la invención ha desarrollado una nueva estructura en la que se prevé que la salida de potencia de la APU 1 se encuentre dispuesta en su parte frontal para lo que es necesario rediseñar la APU 1, de forma que la conducción se conecta sobre la misma, lo que permite que la conducción esté constituida por un tubo 2a recto e inclinado descendente hacia la parte anterior del avión, de forma que alcanza a la cuaderna 4 por su parte inferior, lo que determina que la conducción 2 pueda pasar por la parte inferior de la abertura que presentan las cuadernas 4, es decir, sobre el borde superior de la sección inferior 4b de la cuaderna 4, al ser la sección inferior 4b mucho menor que la sección superior 4a de la cuaderna 4, tal y como ya fue señalado, por lo que la nueva disposición de la invención no afecta a la estructura de la cuaderna 4 y permite el paso por la parte inferior del estabilizador horizontal 5 sin que se precise realizar la incorporación de codos 7. En el tubo 2a se intercalan los elementos de compensación 6 de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones para preservar al tubo 2a de que pueda sufrir roturas por fatiga.

Claims

REIVINDICACIONES
1.- ESTRUCTURA DE LA INSTALACIÓN NUEMATICA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN LA ZONA DE COLA DE UN AVIÓN, que comprende una unidad auxiliar de potencia (1) (APU) de suministro de potencia neumática y eléctrica, cuya salida de potencia neumática está unida a una conducción (2) que antes de llegar a la zona de la cabina presurizada de pasajeros (3) se sitúa en la parte baja del avión, contando dicha conducción (2) con codos (7), y elementos de compensación (6) de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones que produce la unidad auxiliar de potencia (1) en su funcionamiento; se caracteriza porque la salida de potencia de la unidad auxiliar de potencia (1) está dispuesta en su parte frontal en la que se conecta la conducción, la cual está constituida por un tubo (2a) recto inclinado descendente hacia la parte anterior del avión en el que se intercalan dos elementos de compensación (6) de dilatación térmica y de compensación de las vibraciones que produce la unidad de potencia auxiliar (1), para reducir la longitud de la conducción (2) y eliminar los codos (7) .
2.- ESTRUCTURA DE LA INSTALACIÓN NUEMATICA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN LA ZONA DE COLA DE UN AVIÓN, según reivindicación 1, caracterizado porque el tubo (2a) pasa por la parte inferior del estabilizador horizontal (5) .
3.- ESTRUCTURA DE LA INSTALACIÓN NUEMATICA DE ACONDICIONAMIENTO DE AIRE EN LA ZONA DE COLA DE UN AVIÓN, según reivindicación 1, caracterizado porque el tubo (2a) pasa por la parte inferior de la abertura que presentan convencionalmente las cuadernas (4) de refuerzo sin afectar a su estructura.
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