ES2293507T3 - Dispositivo de alimentacion de aire de refrigeracion de valvulas de tobera. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de alimentación de aire de refrigeración de una válvula (21) de tobera de eyección (1) de un turborreactor, que comprende una canalización (30) que une la válvula (21) a una fuente de aire de refrigeración (31), caracterizado porque la canalización (30) comprende al menos una porción telescópica (32) y una unión de rótula (33, 34), de forma que pueda seguir los movimientos de la válvula (21) con respecto a la fuente de aire de refrigeración (31).
Description
Dispositivo de alimentación de aire de
refrigeración de válvulas de tobera.
La invención se refiere a un dispositivo de
alimentación de aire de refrigeración de una válvula de tobera de
eyección de un turborreactor.
Posteriormente a su turbina, un turborreactor
comprende un canal de eyección, que comprende un cárter de escape y
una tobera. El canal de eyección tiene como papel transformar la
energía de presión restante a la salida de la turbina en energía
cinética mediante la descompresión de los gases de combustión.
Generalmente se usa una tobera de sección
variable con el fin de adaptar su sección al funcionamiento del
motor. Las toberas de sección variable se utilizan en los
turborreactores, ya sean con o sin post-combustión.
La post-combustión consiste en inyectar carburante
en el canal de eyección con el fin de provocar la combustión del
gas que proviene de la turbina, el cual contiene aun oxígeno, y así
aumentar la potencia del turborreactor.
Las toberas de sección variable pueden ser de
diferentes tipos, principalmente axisimétricas, bidimensionales o
también orientables. La invención se aplica a cualquier tipo de
tobera y más particularmente a las toberas axisimétricas
convergente-divergentes, es decir las toberas cuya
porción anterior es convergente y la porción posterior es
divergente, para un turborreactor con
post-combustión.
Las toberas axisimétricas
convergente-divergentes se utilizan para
aplicaciones supersónicas, aumentando la velocidad de un gas
supersónico en una tobera divergente. Están constituidas por varias
válvulas dispuestas en corona con el fin de obtener una sección
globalmente circular y recubriéndose parcialmente. Una válvula de
cada dos, denominada válvula de control, está accionada por un
actuador, mientras que entre dos válvulas de control se encuentra
una válvula auxiliar, impelida por las válvulas de control.
Durante la post-combustión, la
temperatura de los gases puede alcanzar aproximadamente 2.000ºC. El
enfriamiento de las válvulas de la tobera es por lo tanto
necesario, por una parte para aumentar su durabilidad y, por otra
parte, para reducir la firma térmica infrarroja de la tobera que
debe ser mínima en las aplicaciones militares.
La técnica anterior, en particular los
documentos US 5.255.849 y US 5.775.589, propone un dispositivo de
refrigeración por circulación de aire a lo largo de la pared
interna de las válvulas, que están huecas. La alimentación de aire
de las válvulas divergentes comprende canalizaciones de forma
semicircular, una en saliente fuera de una válvula de la porción
convergente de la tobera y la otra en saliente fuera de una válvula
de la porción divergente de la tobera y que está introducida en la
primera, con el fin de poner en comunicación las cavidades de las
válvulas implicadas. El aire de refrigeración, que proviene del
flujo secundario del turborreactor, permite por lo tanto enfriar la
válvula convergente en primer lugar y después la válvula divergente
gracias a la canalización mencionada anteriormente. Las
canalizaciones tienen el mismo radio y centro de curvatura,
pudiendo así deslizarse una en la otra con el fin de compensar las
variaciones de ángulo entre las dos porciones de tobera durante el
accionamiento de los
actuadores.
actuadores.
Sin embargo, en este dispositivo de
refrigeración, el aire de refrigeración de las válvulas divergentes
proviene de las válvulas convergentes y, en consecuencia, ya ha
sido utilizado para la refrigeración de estas últimas. Sería
preferible abastecer directamente a las válvulas divergentes de aire
de refrigeración con el fin de aumentar su eficacia. Sin embargo,
no es posible usar canalizaciones del tipo de las presentadas
anteriormente de las que una estaría en saliente fuera de una
válvula divergente y la otra fuera de una cavidad del motor
aprovisionado de aire de refrigeración del flujo secundario, ya que
entre una válvula divergente y una parte del motor que no es una
válvula convergente el movimiento no es un movimiento de rotación
sencillo. Además, la acumulación sería demasiado grande en una zona
del motor en la que los espacios están saturados.
La presente invención pretende paliar estos
inconvenientes.
Con este fin, la invención se refiere a un
dispositivo de alimentación de aire de refrigeración de una válvula
de tobera de eyección de un turborreactor que comprende una
canalización que une la válvula a una fuente de aire de
refrigeración, caracterizado porque la canalización comprende al
menos una porción telescópica y una unión de rótula.
Por rótula se denominará una unión mecánica que
solo tiene grados de libertad de rotación. Preferentemente, la
unión de rótula comprenderá tres grados de rotación, pero
opcionalmente se podrá concebir para comprender solo uno o dos.
Preferentemente, la canalización comprende dos
uniones de rótula y una porción telescópica.
Ventajosamente, la porción telescópica cumple
igualmente una función de trompa.
En particular, la fuente de aire de
refrigeración comprende una canalización, en la periferia del cárter
del canal de eyección, que aporta aire del flujo secundario del
turborreactor.
Mediante la invención es posible alimentar
fácilmente las válvulas divergentes de la tobera con aire de
refrigeración, sin impedimentos mecánicos unidos al funcionamiento,
cualquiera que sea la fuente a la que se unen las válvulas.
El dispositivo de alimentación se adapta además
a cualquier tipo de tobera; principalmente es posible alimentar con
aire de refrigeración las válvulas de una tobera axisimétrica
convergente, las válvulas convergentes o divergentes de una tobera
axisimétrica convergente-divergente, las válvulas de
una tobera bidimensional o las válvulas de una tobera orientable.
Las ventajas son numerosas, tanto en cuanto a la puesta a punto del
dispositivo de alimentación de la invención como en cuanto a su
fabricación, pudiendo esta última estandarizarse para cualquier
tipo de tobera. En particular, con el dispositivo de alimentación de
la invención es posible igualmente unir las válvulas convergentes
de una tobera convergente-divergente a sus válvulas
divergentes, como en la técnica anterior citada, de forma más
sencilla, ya que la fabricación de las piezas necesita menos
precisión que en esta caso en el que los radios y los centros de
curvatura deber ser estrictamente idénticos para evitar cualquier
tensión o rozamiento.
Además, la canalización del dispositivo de
alimentación de la invención, debido a su estructura, absorbe las
tensiones de las vibraciones y las dilataciones unidas al
funcionamiento del turborreactor.
La invención se comprenderá mejor mediante la
descripción siguiente de la forma de realización preferida del
dispositivo de alimentación de la invención, con referencia al
dibujo anexo, en el que:
- la figura 1 representa una vista en
perspectiva de la parte frontal de una tobera de turborreactor
provista de la forma de realización preferida del dispositivo de
alimentación de la invención;
- la figura 2 representa una vista de perfil de
una sección del dispositivo de alimentación de la figura 1 en una
primera posición;
- la figura 3 representa una vista de perfil de
una sección del dispositivo de alimentación de la figura 2 en una
segunda posición;
- la figura 4 representa una vista en
perspectiva del dispositivo de alimentación de la figura 2; y
- la figura 5 representa una vista en
perspectiva del dispositivo de alimentación de la figura 3.
Con respecto a la figura 1, el dispositivo de
alimentación de la invención está dispuesto, en su forma de
realización preferida, sobre una tobera 1 axisimétrica
convergente-divergente de un turborreactor con
post-combustión. La tobera 1 está montada en la
parte posterior del cárter 2 del canal de eyección del
turborreactor. La tobera 1 comprende válvulas convergentes, de
control 10 o auxiliares 11, y válvulas divergentes, de control 20 o
auxiliares 21.
Las válvulas convergentes 10, 11 están unidas
anteriormente al cárter 2 mediante bisagras 10', 11',
respectivamente, alrededor de las que pueden pivotar, extendiéndose
cada bisagra 10', 11' según un eje perpendicular al eje de la
tobera 1. Posteriormente están unidas por bisagras 10'', 11'',
respectivamente, a las válvulas divergentes 20, 21. Cada bisagra
posterior 10'', 11'' es paralela en el plano de la válvula 10, 11 a
la que pertenece, a la bisagra anterior 10', 11'
correspondiente.
Las válvulas convergentes 10, 11 están situadas
en corona alrededor del eje de la tobera 1 de forma que forman una
sección globalmente circular, disponiéndose las válvulas de control
10 y auxiliares 11 alternativamente en la periferia de la corona.
Cada válvula de control 10 está controlada por una biela 12,
accionada para hacer pivotar la válvula 10 alrededor del eje de su
bisagra anterior 10'. Durante el accionamiento de las bielas 12,
las válvulas de control 10 pivotan y arrastran con ellas en el giro
a las válvulas auxiliares 11, estando cada válvula auxiliar 11
rodeada por dos válvulas de control 10.
Las válvulas divergentes 20, 21 están dispuestas
igualmente en corona alrededor del eje de la turbina y se sostienen
por su lado anterior mediante las bisagras 10'', 11'' a las válvulas
convergentes 10, 11. Cada válvula divergente de control 20 está
unida a una válvula convergente de control 10 y cada válvula
divergente auxiliar 21 está unida a una válvula convergente
auxiliar 11. De la misma forma que para la corona de válvulas
convergentes, la corona de válvulas divergentes consiste por lo
tanto en una alternancia de válvulas de control 20 y auxiliares
21.
Las válvulas divergentes de control 20 están
controladas por bielas 22, de forma bien conocida por el experto en
la técnica. Como cada válvula divergente auxiliar 21 se sitúa entre
dos válvulas divergentes de control 20, sigue el movimiento
impuesto por las válvulas de control 20. Los movimientos de las
válvulas divergentes 20, 21 no son movimientos de giro sencillo,
sino la composición de movimientos de giro alrededor de las bisagras
10'', 11'' y de rotación alrededor de las bisagras 10', 11'.
En la forma de realización de la invención
ilustrada por las figuras, las válvulas divergentes auxiliares 21
están huecas, mientras que las válvulas divergentes de control 20
son macizas. Tal configuración se elige por el hecho de que, al
recubrir las válvulas divergentes de control 20 bien parcialmente o
bien totalmente, en función de la sección de la tobera 1 deseada,
las válvulas divergentes auxiliares 21, es la refrigeración de
estas últimas la que es determinante. Sin embargo, aunque la
invención se aplica aquí a las canalizaciones usadas para la
refrigeración de las válvulas divergentes auxiliares, es evidente
que se puede aplicar a cualquier tipo de válvulas, divergentes de
control, convergentes u otras, cualquiera sea la naturaleza de la
tobera o del control de sus válvulas. En este caso, según un modo
de realización particular, las válvulas divergentes de control 20
están huecas y alimentadas de aire de refrigeración por las bielas
12 de control de las válvulas convergentes de control 10, estando
entonces cada biela 12 dispuesta de forma que sea hueca, unida
anteriormente a una fuente de refrigeración y posteriormente por
una parte fijada a una válvula convergente de control 10 para
accionarla y, por otra parte, desembocando en la parte anterior de
una válvula divergente de control 20 para alimentarla de aire de
refrigeración.
Con respecto a la figura 2, una canalización 30
desemboca en cada válvula divergente auxiliar 21. Esa canalización
permite alimentar de aire de refrigeración la cavidad 23 provista en
el espesor de la válvula 21. Este aire puede, gracias a la
canalización 30 de la invención, provenir de varias partes
anteriores del motor, por ejemplo del compresor. Un sistema de
canalizaciones 31 en la periferia del turborreactor permite conducir
el aire de refrigeración desde su punto de extracción hasta las
inmediaciones de la tobera 1, constituyendo para esta última una
fuente de aire de refrigeración 31. Estas fuentes de aire de
refrigeración 31 desembocan en la proximidad de la tobera 1, más
precisamente aquí en la vertical de las válvulas convergentes
auxiliares 11. Las fuentes de aire 31 se ponen en comunicación con
las cavidades internas 23 de las válvulas divergentes auxiliares 21
gracias a canalizaciones 30 que pueden seguir todos los movimientos
de las válvulas con respecto a las canalizaciones 31, fijas con
respecto al cárter 2 de la tobera 1. Estos movimientos son la
composición de varios movimientos elementales y, por lo tanto, son
complejos.
En este caso, la fuente de aire de refrigeración
31 comprende, en la proximidad de las válvulas convergentes 10, 11
una boquilla de separación que permite dirigir una parte del aire de
refrigeración hacia las válvulas convergentes 10, 11, estando
asegurada su refrigeración simplemente por una abertura, en la
proximidad de estas válvulas 10, 11, por la que el aire llega a
enfriar la superficie interna de estas válvulas 10, 11, y otra
parte del aire hacia las canalizaciones 30 que desembocan en las
válvulas divergentes auxiliares 21.
Según el modo de realización particular en el
que las válvulas divergentes de control 20 se alimentan de aire de
refrigeración por las bielas 12 de accionamiento de las válvulas
convergentes de control 10, estas bielas 12 desembocan de igual
forma anteriormente en la fuente de aire de refrigeración 31,
estando el aire de refrigeración en este lugar dirigido por una
parte hacia las bielas 12 y por otra parte hacia las válvulas
convergentes de control 10, de la misma forma que
anteriormente.
Con el fin de poder seguir cualquier movimiento,
cada canalización 30 comprende una porción telescópica 32 y dos
uniones de rótula 33, 34, una 33 que une la canalización 30 con la
fuente de aire de refrigeración 31 y la otra que une la
canalización 30 con la cavidad interna 23 de la válvula divergente
auxiliar 21, con una porción de la canalización 35 en saliente
fuera del plano de la válvula 21. La porción telescópica 32 se sitúa
entre las dos uniones de rótula 33, 34.
La porción telescópica 32 está formada por dos
tubos 32A y 32B que pueden deslizarse uno en el otro por un
extremo. En el otro extremo, cada tubo 32A, 32B comprende una cabeza
con una porción de superficie exterior esférica 32A', 32B'. La
cabeza 32A' está insertada en el elemento tubular 31. Este elemento
31 comprende una porción de extremo de superficie interior esférica
31' en la que se aloja la cabeza 32A'. La porción 31' y la cabeza
esférica 32A' forman juntas una unión de rótula 33. El tubo está
sujeto axialmente pero puede pivotar con respecto al elemento 31.
La cabeza 32B' está insertada en el elemento tubular 35. Este
elemento 35 comprende una porción de extremo de superficie interior
esférica 35' en la que se aloja la cabeza 32B'. La porción 35' y la
cabeza esférica 32B' forman juntas una unión de rótula 34. El tubo
está sujeto axialmente pero puede pivotar con respecto al elemento
35.
En la figura 3, la canalización 30 se encuentra
en otra posición como consecuencia de un accionamiento de las
bielas 12, 22 y, por lo tanto, de un cambio de posición de las
válvulas 10, 11, 20, 21. Con el fin de mantener la comunicación
entre la fuente de aire de refrigeración 31 y la porción de
canalización saliente 35 de la válvula 21, la canalización 30 se
adapta a la nueva posición de la válvula 21 con respecto a la fuente
de aire 31 y sigue el movimiento por rotación alrededor de las
uniones de rótula 33, 34 y, en este caso, alargamiento de su
longitud al nivel de la porción telescópica 32.
En otro forma de realización de la invención, la
cabeza anterior 32A' participa en la formación, de la misma forma
que anteriormente, de una unión de rótula con tres grados de
libertad, y se monta por enmangado en la porción del extremo de
superficie interior esférica 31' del elemento tubular 31, o la
canalización 31, por su extremo anterior, estando así retenida
axialmente contra ella. La cabeza posterior 32B', en cuanto a ella,
se hace solidaria con la porción de superficie interior esférica 35'
del elemento tubular 35, o la canalización 35, solidaria de la
válvula divergente 21, por un eje transversal al eje del
turborreactor que se extiende a través de la cabeza posterior 32B'
y del elemento tubular 35. Así, la cabeza posterior 32B' está
retenida axialmente por este eje y puede pivotar con respecto a él;
en este caso, esta unión de rótula 34 no comprende más que un grado
de libertad.
La canalización 30 está dimensionada de forma
que el intervalo de longitudes que puede tomar su porción
telescópica 32 y el intervalo de ángulos que pueden tomar las
uniones de rótula 33, 34 sean suficientes para el seguimiento del
conjunto de las posiciones que pueden tomar las válvulas.
En las figuras 2 y 3, las flechas indican la
trayectoria del aire de refrigeración desde las fuentes del aire 31
hasta las válvulas 21.
La evacuación del aire de refrigeración puede
realizarse de varias maneras: el aire puede, por ejemplo, ser
evacuado al borde de fuga de las válvulas 21 o también mediante
perforaciones sobre la cara caliente, o interna, de estas últimas,
con el fin de volver a ser inyectada directamente en el conducto del
gas. La evacuación no está representada en las figuras.
La porción telescópica 32 puede estar dispuesta
de forma que haga igualmente la función de trompa, es decir,
gracias a un juego entre los tubos telescópicos toma el aire con el
fin de que una parte del aire exterior a la canalización 30 sea
arrastrada y se mezcle con el aire de refrigeración que circula por
las canalizaciones 30.
Las figuras 4 y 5 ilustran en perspectiva las
dos posiciones de las figuras 2 y 3. Así son más claramente
visibles las razones por las que, en la forma de realización
preferida de la invención, únicamente las válvulas divergentes
auxiliares 21 están dispuestas con las canalizaciones 30: por una
parte, cuando las válvulas de control 20 recubren las válvulas
auxiliares 21, estas últimas hacen pantalla entre las válvulas de
control y el conducto de gas caliente y, por otra parte, por
razones de acumulación, es más sencillo disponer las canalizaciones
30 por encima de las válvulas convergentes 11 que no están
controladas por las bielas 12.
Sin embargo, es preciso recordar que las
canalizaciones 30 de la invención pueden aplicarse en cualquier tipo
de válvulas de tobera.
Claims (9)
1. Dispositivo de alimentación de aire de
refrigeración de una válvula (21) de tobera de eyección (1) de un
turborreactor, que comprende una canalización (30) que une la
válvula (21) a una fuente de aire de refrigeración (31),
caracterizado porque la canalización (30) comprende al menos
una porción telescópica (32) y una unión de rótula (33, 34), de
forma que pueda seguir los movimientos de la válvula (21) con
respecto a la fuente de aire de refrigeración (31).
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que la válvula (21) es una válvula divergente auxiliar (21) de una
tobera convergente-divergente.
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 ó 2, en el que la canalización (30) comprende dos uniones de
rótula (33, 34) y una porción telescópica (32).
4. Dispositivo según la reivindicación 3, en el
que la porción telescópica (32) se sitúa entre las dos uniones de
rótula (33, 34).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 4, en el que la porción telescópica (32) tiene igualmente una
función de trompa.
6. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 5, en el que la fuente de aire de refrigeración comprende una
canalización (31), en la periferia del cárter (2) del canal de
eyección del turborreactor, que aporta aire del flujo secundario
del turborreactor.
7. Tobera de turborreactor, que comprende al
menos una válvula (21) y un dispositivo de alimentación de aire de
refrigeración (30) de la válvula (21) según una de las
reivindicaciones 1 a 6.
8. Turborreactor que comprende una tobera (1) de
sección variable provista de un dispositivo de alimentación de aire
de refrigeración (30) según una de las reivindicaciones 1 a 6.
9. Turborreactor según la reivindicación 8, cuya
tobera pertenece a uno de los grupos de toberas siguientes: toberas
convergentes, toberas convergente-divergentes,
toberas bidimensionales y toberas orientables.
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