ES2205148T3 - Tobera de eyeccion de turborreactor, de geometria variable. - Google Patents

Tobera de eyeccion de turborreactor, de geometria variable.

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ES2205148T3 ES97401407T ES97401407T ES2205148T3 ES 2205148 T3 ES2205148 T3 ES 2205148T3 ES 97401407 T ES97401407 T ES 97401407T ES 97401407 T ES97401407 T ES 97401407T ES 2205148 T3 ES2205148 T3 ES 2205148T3
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Philippe Pierre Vincent Bouiller
Pierre Yves Bourquin
Gerard Ernst Andre Jourdain
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Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UNA TOBERA DE EYECCION DE TURBORREACTOR, CON GEOMETRIA VARIABLE, QUE COMPRENDE TRES JUEGOS DE ALERONES (6, 8, 10) AXISIMETRICOS, CONTROLADOS POR UN SOLO ANILLO DE CONTROL (12) ACCIONADO POR GATOS (14). LOS ALERONES CONTROLADOS CORRIENTE ARRIBA (8) ESTAN CONECTADOS AL ANILLO DE CONTROL (12) POR PALANCAS TRASLADABLES (14) SOBRE LAS QUE ESTAN ARTICULADOS LOS GATOS (14). EL ANILLO DE CONTROL (12) ESTA ADEMAS CONECTADO A LOS ALERONES CONTROLADOS CORRIENTE ABAJO (10) POR PALANCAS DE CONTROL (20) SOBRE LAS QUE ESTAN ARTICULADAS LAS BIELAS (24) DE ARRASTRE DE LOS ALERONES CONTROLADOS (6) DE LA CORONA EXTERIOR, ESTANDO ESTOS ULTIMOS ALERONES (6) ARTICULADOS SOBRE LA PARTE TERMINAL FIJA DEL TURBORREACTOR.

Description

Tobera de eyección de turborreactor, de geometría variable.
La presente invención se refiere a una tobera de escape de turborreactor, de geometría variable, que comprende una corona exterior de aletas y una corona interior de aletas, comprendiendo la corona interior de aletas dos grupos de aletas, unas en la prolongación de las otras, y articuladas en su unión, estando articuladas las aletas aguas arriba de la corona interior por su extremo anterior, además, en la parte final fija del turborreactor, y estando articuladas las aletas de la corona exterior, por su extremo anterior, en una estructura radialmente alejada de dicha parte final fija, comprendiendo dicha corona exterior y cada uno de dichos grupos de aletas una serie de aletas reguladas y una serie de aletas seguidoras, en la cual las aletas reguladas de aguas arriba están unidas a un anillo de regulación que puede moverse axialmente por efecto de una pluralidad de órganos de regulación interpuestos entre la parte fija del turborreactor y dicho anillo de regulación.
Ciertos aviones equipados con turborreactores pueden asegurar misiones en condiciones de vuelo subsónico y supersónico. En este caso las turbomáquinas están dotadas de un sistema de postcombustión y de una tobera de sección variable. Esta última puede ser del tipo que tiene simetría axial o de otro tipo.
La presente invención se refiere a las toberas con simetría axial, de geometría variable, que pueden recibir una configuración convergente-convergente, que conviene a los flujos subsónicos, y una configuración convergente-divergente, que conviene a los flujos supersónicos.
El modo de funcionamiento convergente-divergente optimiza el nivel de prestaciones de la tobera y permite una ganancia de empuje cuando el dispositivo de postcombustión está en funcionamiento.
En el modo de funcionamiento convergente-convergente, la tobera está cerrada al máximo y las series de aletas forman dos conos convergentes sucesivos. Este estado es ventajoso cuando la turbomáquina funciona en un régimen intermedio entre el ralentí y el pleno gas seco. Se mejora el empuje o el consumo específicos en relación con una turbomáquina que únicamente tenga el primer modo de funcionamiento.
En fin, en una tobera de geometría variable, se reduce la sección geométrica lo necesario para permitir el paso de un caudal determinado, en condiciones determinadas de presión y de temperatura, del flujo de gas que atraviesa la tobera.
El documento FR-A-2 698 409 describe una tobera de geometría variable del tipo antes mencionado, en la que las aletas reguladas de la corona exterior están unidas al anillo de regulación por medios de leva, y las aletas reguladas aguas abajo están unidos por bieletas a la estructura de cubierta, siendo ésta última móvil axialmente, a fin de asegurar todas las configuraciones de la tobera. Hay, por consiguiente, dos regulaciones separadas y dos bucles de realimentación.
Los documentos FR-A-1 225 736 y FR-A-1 588 791 se refieren, igualmente, a toberas con tres juegos de aletas y dos regulaciones separadas.
La presencia de dos regulaciones separadas conlleva una complejidad de realización y un aumento de la masa. A través del documento FR-A-2715192 se conoce una tobera cuyo anillo de regulación está unido a las aletas reguladas aguas abajo mediante palancas de realimentación, y las aletas de la corona exterior están articuladas en una estructura fija respecto a la parte fija de turborreactor, desplazando una transmisión de levas y rodillos las aletas de aguas arriba.
El documento EP-A-0 091 786 describe un mecanismo de tobera que comprende un elemento anular en el que están articulados una primera serie de aletas primarias, las palancas de realimentación de una segunda serie de aletas primarias y una tercera serie de aletas exteriores.
El documento FR-A-2724977 describe una tobera cuyas palancas de regulación asociadas a los cilindros y a las aletas están articuladas en la estructura fija.
El objeto de la presente invención es proponer una tobera de geometría variable en la cual los tres juegos de aletas son accionados mediante una única regulación, lo que permite asegurar una ganancia de masa y de coste.
La invención logra su objeto por el hecho de que el anillo de regulación está unido a las aletas reguladas aguas arriba por palancas trasladables, articuladas por uno de sus extremos en los órganos de regulación, y por el hecho de que las aletas reguladas de la corona exterior están unidas a las palancas de realimentación mediante bieletas.
Gracias a esta disposición, el conjunto de los tres juegos de aletas está regulado, únicamente, por el desplazamiento axial del anillo de regulación. El anillo de regulación asegura la sincronización de los órganos de regulación. Además, es autocentrante, gracias a las aletas aguas abajo de la corona interior.
En fin, el uso de palancas trasladables hace disminuir los esfuerzos en el mecanismo, lo que permite utilizar órganos de regulación de menor dimensión, estando constituidos estos órganos de regulación, por ejemplo, por cilindros hidráulicos alimentados por una bomba de alimentación más pequeña.
Ventajosamente, el anillo de regulación tiene una forma poligonal, y las articulaciones de las palancas de realimentación en dicho anillo de regulación se apoyan en los vértices de dicho anillo de regulación.
Esta forma poligonal evita las deformaciones por flexión del anillo.
Otras ventajas y características de la invención se apreciarán a través de la lectura de la descripción que sigue, hecha a título de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 representa una semivista esquemática, en corte, por un plano que pasa por el eje de rotación de la turbomáquina, de una tobera de escape con simetría axial y de geometría variable, según la invención, en la configuración de abertura plena.
- la figura 2 representa la tobera de escape de la figura 1 en una configuración intermedia convergente-divergente.
- la figura 3 muestra la misma tobera de escape, en la configuración convergente-convergente.
- la figura 4 muestra la curva representativa de la sección de salida de la tobera en función de la sección de salida de las aletas aguas arriba.
- la figura 5 es una representación, en perspectiva, de una parte del anillo de regulación según la presente invención.
- la figura 6 muestra, en perspectiva, una palanca trasladable.
La presente invención se refiere a una tobera 1, con simetría axial, eje 2, geometría variable y dispuesta en la parte final 3 de un turborreactor.
Esta tobera 1 presenta tres juegos de aletas, constituidos, cada uno, por una pluralidad de aletas reguladas y por una pluralidad de aletas seguidoras, intercaladas entre las aletas reguladas, y que forman dos coronas de aletas coaxiales.
La corona interior está dispuesta a continuación de la tobera de escape 4 de los gases de la turbina o de la cámara de postcombustión, y comprende dos grupos de aletas, unas en la prolongación de las otras, siendo estos grupos de aletas denominados, en lo sucesivo, el grupo de aletas aguas arriba y el grupo de aletas aguas abajo.
La corona exterior de aletas rodea la corona interior, y está dispuesta en la continuación de una cubierta 5 que rodea la tobera de escape 4.
Las aletas 6 de la corona exterior están articuladas, por su extremo anterior, en dos ejes de articulación 7 fijos respecto a la tobera de escape 4.
Las aletas aguas arriba 8 de la corona interior están articuladas, por su extremo anterior, en ejes de articulación 9 previstos en la parte final de la tobera de escape 4, y las aletas aguas abajo 10 están articuladas, por su extremo anterior, en los extremos posteriores de las aletas aguas arriba 8, por medio de ejes de articulación 11.
Según la presente invención, la geometría de los tres juegos de aletas 6, 8, 10 está definida por la posición axial de un anillo de regulación 12, de eje 2, dispuesto en el espacio anular 13 que separa el grupo de aletas aguas arriba 8 y la corona exterior de aletas 6, y que puede moverse axialmente por la acción de una pluralidad de cilindros de regulación 14 que se apoyan, en 15, en la parte final del turborreactor.
Tal como se observa claramente en las figuras 1, 2 y 3, los vástagos 15 de los cilindros de regulación 14 están articulados, en 16, en el extremo exterior de palancas trasladables 17 que unen las aletas reguladas aguas arriba 8 con el anillo de regulación 12. Las referencias 18 y 19 representan, respectivamente, los ejes de articulación de las palancas trasladables 17 en el anillo de regulación 12 y en las aletas reguladas aguas arriba 8.
Cada aleta regulada aguas abajo 10 está unida al anillo de regulación 12 mediante una palanca de realimentación 20, que presenta tres ejes de articulación 21, 22, 23 paralelos y no coplanarios.
La referencia 21 representa el eje de articulación de una palanca de realimentación 20 en el anillo de regulación 12, y la referencia 22 representa el eje de articulación de la misma palanca de realimentación 20 en la aleta regulada aguas abajo 10.
Una bieleta 24, al menos, une una palanca de realimentación 20 con una aleta regulada 6 de la corona exterior. Esta bieleta 24 está articulada, en 23, en la palanca de realimentación 20, y, en 25, en la aleta regulada 6 de la corona exterior.
Los tres juegos de aletas 6, 8, 10 comprenden el mismo número de aletas reguladas y de aletas seguidoras, y el número de cilindros 14 es igual al número de aletas reguladas de cada juego. Además, cada cilindro 14 actúa sobre una única palanca trasladable 17, que une una única aleta regulada aguas arriba 8 con el anillo de regulación 12.
Gracias a la cinemática definida arriba, la geometría de los tres juegos de aletas 6, 8, 10 y la sección de la tobera varían en función de la posición del anillo de regulación 12, es decir, en función de la carrera de los cilindros 14. El anillo de regulación 12 asegura la sincronización de los cilindros 14.
La figura 1 representa la posición convergente-divergente de la corona interior cuando los vástagos 15 de los cilindros 14 son llevados al máximo. Esta posición corresponde al régimen supersónico de abertura plena, cuando la cámara de postcombustión se encuentra en el régimen de pleno gas.
La figura 2 muestra una configuración intermedia convergente-divergente de la corona interior, siendo, entonces, la sección de salida S1 de las aletas aguas arriba, mínima.
La figura 3 muestra la configuración convergente-convergente de la corona interior, denominada "de pleno cierre", que corresponde a la extensión máxima de los vástagos 15 de los cilindros 14, y es utilizada en el régimen de ralentí. En esta configuración, la sección S2 de salida de las aletas aguas abajo es mínima.
El posicionamiento de los diferentes ejes de articulación de las palancas y bielas define la ley de las secciones S1 y S2 en función de la carrera de los cilindros 14. La figura 4 muestra la curva de la sección S2 en función de la sección S1. Los puntos A, C y D corresponden, respectivamente, a las configuraciones representadas en las figuras 1 a 3. El punto B corresponde a una configuración intermedia convergente-divergente.
Además, para las aletas 6 de la corona exterior, denominadas "aletas frías", se imponen dos valores extremos del ángulo de giro para satisfacer las exigencias vinculadas con el flujo externo y la alimentación de los residuos de combustible, a fin reducir, de ese modo, la estela aerodinámica.
Los movimientos de la cinemática se efectúan de la manera siguiente, pasando de la posición tobera con abertura plena, representada en la figura 1, hacia una posición intermedia, más cerrada, en posición convergente-divergente, representada en la figura 2.
Los cilindros 14 pasan de la posición "vástago replegado" hacia una posición "vástago extendido". Esta acción provoca el desplazamiento del anillo de regulación 12 en dirección de aguas arriba, y la rotación simultánea de las palancas trasladables 17 y de las palancas de realimentación 23 en el sentido de las agujas del reloj. Esto tiene el efecto de llevar las aletas aguas arriba 8 hacia el cierre y las aletas aguas abajo 10 hacia una sección de salida más reducida.
Si el movimiento de salida de los cilindros prosigue, la corona interior toma la configuración convergente-convergente representada en la figura 3.
El anillo de regulación 12 asegura el movimiento y la sincronización del conjunto de los tres juegos de aletas. Esta capacidad permite, además, liberarse de un sistema de sincronización de los cilindros de regulación 14, por ejemplo, mediante árboles flexibles.
Por otra parte, el anillo de regulación 12 es autocentrante en relación con las aletas 6, 8, 10, gracias a su conexión con las aletas reguladas aguas abajo 8, evitando someter estas aletas a esfuerzos de tensión.
La figura 5 muestra, en perspectiva, una parte del anillo de regulación 12. Este anillo 12 tiene una forma poligonal que tiene un número de lados igual al número de aletas de cada juego de aletas, y comprende dos estructuras poligonales 30 y 31 desplazadas axialmente y cuyos vértices están unidos por travesaños axiales 32 destinados a soportar los esfuerzos transmitidos por las palancas trasladables 17 y las palancas de realimentación 20. A este respecto, dos travesaños sucesivos 32a, 32b dispuestos frente a la misma aleta regulada de aguas arriba 8, presentan, en su zona central, orificios alineados 33a, 33b, que definen el eje de articulación 18 de una aleta trasladable 17, y, en la cara trasera de la estructura 30, dos orejetas 34a, 34b, que presentan orificios 35a, 35b alineados que definen el eje de articulación 21 de una palanca de realimentación 20.
Gracias a esta estructura poligonal del anillo de regulación 12, los lados 30 y 31 de las estructuras están sometidos únicamente a fuerzas de tracción o de compresión y no sufren esfuerzos de flexión.
La figura 6 muestra, en perspectiva, una palanca trasladable 17. Esta palanca 17 comprende un muñón 40 destinado a estar montado entre dos travesaños sucesivos 32a, 32b del anillo de regulación 12, en alineación con los orificios 33a y 33b. Dos primeros brazos 41a, 41b, solidarios del muñón 40, comprenden, en sus extremos, estribos 42a, 42b de fijación en prominencias de la correspondiente aleta regulada aguas arriba, que definen el eje de articulación 19. Dos segundos brazos 43a, 43b, solidarios del muñón 40, comprenden, en sus extremos, orejetas 44a, 44b horadadas, que definen el eje de articulación 16 de la cabeza de un vástago 15 de cilindro.
Gracias a esta disposición, los esfuerzos ejercidos por los cilindros 14 sobre los segundos brazos 43a, 43b son inferiores a los esfuerzos que sería necesario ejercer si estos cilindros estuviesen articulados directamente en el anillo de regulación 12. Por otra parte, el anillo de regulación está únicamente sometido a esfuerzos radiales.
Se puede, por lo tanto, regular la tobera con cilindros 14 más pequeños y una bomba de alimentación más pequeña. La estructura de la tobera es más ligera y las articulaciones son más pequeñas.

Claims (5)

1. Tobera de escape de turborreactor, de geometría variable, que comprende una corona exterior de aletas (6) y una corona interior de aletas, comprendiendo la corona interior de aletas dos grupos de aletas, unas a continuación de las otras y articuladas en su unión, estando articuladas las aletas aguas arriba (8) de la corona interior, además, por su extremo anterior, en la parte final fija del turborreactor, y estando articuladas las aletas (6) de la corona exterior, por su extremo anterior, en una estructura radialmente alejada de dicha parte final fija, comprendiendo dicha corona exterior, y cada uno de dichos grupos de aletas, una serie de aletas reguladas y una serie de aletas seguidoras, en la cual las aletas reguladas aguas arriba (8) están unidas a un anillo de regulación (12) que puede moverse axialmente por la acción de una pluralidad de órganos de regulación (14) interpuestos entre la parte fija del turborreactor y dicho anillo de regulación (12), unido a las aletas reguladas aguas abajo (10) por palancas de realimentación (20), y la estructura en la que están articuladas las aletas (6) de la corona exterior es fija respecto a la parte fija del turborreactor, gracias a lo cual el conjunto de los tres juegos de aletas está regulado, únicamente, por el desplazamiento axial del anillo de regulación (12),
caracterizada por el hecho de que el anillo de regulación (12) está unido a las aletas reguladas aguas arriba (8) por palancas trasladables (17), articuladas, por uno de sus extremos, en los órganos de regulación (14), y por el hecho de que las aletas reguladas (6) de la corona exterior están unidas a las palancas de realimentación (20) mediante bieletas (24).
2. Tobera según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que el anillo de regulación (12) tiene una forma poligonal, apoyando las articulaciones de las palancas trasladables (17) y de las palancas de realimentación (20) en dicho anillo de regulación, en los vértices de dicho anillo de regulación (12).
3. Tobera según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que el anillo de regulación (12) comprende dos estructuras poligonales (30, 31) desplazadas axialmente y cuyos vértices están unidos por travesaños axiales (32), siendo las articulaciones de las palancas trasladables (17) y de las palancas de realimentación (20), en dicho anillo de regulación (12), llevadas por dichos travesaños (32).
4. Tobera según la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que el número de lados del anillo de regulación (12) es igual al número de aletas (8) aguas arriba de la corona interior.
5. Tobera según la reivindicación 4, caracterizada por el hecho de que cada palanca trasladable (17) comprende un muñón (40) que une dos travesaños sucesivos (32a, 32b) del anillo de regulación (12), dos primeros brazos de palanca (41a, 41b) solidarios de dicho muñón (40), en los extremos de los cuales está articulada la aleta regulada aguas arriba adyacente (8), y dos segundos brazos de palanca (43a, 43b), solidarios del muñón (40), en los extremos de los cuales está articulado un órgano de regulación (14) del anillo de regulación (12).
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