ES2329392T3 - Mezclador para tobera de flujos separados. - Google Patents
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Abstract
Mezclador para tobera de flujos separados de turborrecactor que comprende, según un eje longitudinal (X-X''), una virola de fijación (10) para unir dicho mezclador al cárter de escape de la tobera y una estructura con lóbulos (20) destinada a mezclar los flujos salidos del turborreactor, presentando dicha estructura una sucesión de lóbulos internos (22) y externos (21) repartidos de manera circunferencial alrededor del eje longitudinal (X-X'') del mezclador, caracterizado porque la estructura con lóbulos (20) está realizada en material compuesto con matriz cerámica y porque comprende además unos medios rigidizadores para formar una unión entre los lóbulos internos (22) de la estructura con lóbulos que impide la deformación de dicha estructura por la corriente de los flujos salidos del turborreactor.
Description
Mezclador para tobera de flujos separados.
La presente invención se refiere al campo
general de las toberas que equipan los turborreactores de aviones.
La misma prevé más particularmente las toberas de flujos separados
equipadas con mezcladores de flujo que permiten reducir el ruido
emitido por el chorro a la salida de la tobera mejorando al mismo
tiempo las prestaciones del motor.
Más precisamente, las toberas de flujos
separados de turborreactores se componen generalmente de una
barquilla de flujo confluente que contiene una cubierta primaria
que define un primer canal anular para la corriente de un flujo
primario (o flujo caliente) salido de la cámara de combustión y una
cubierta secundaria dispuesta concéntricamente alrededor de la
cubierta primaria de manera que defina un segundo canal anular para
la corriente de un flujo secundario (o flujo frío) que proviene del
soplante.
A fin de reducir el ruido de chorro generado a
la salida de dicha tobera, es conocido utilizar unos mezcladores
que tienen una concepción específica para favorecer la mezcla entre
el flujo primario y el flujo secundario salidos del turborreactor.
Una de las concepciones más utilizadas actualmente en los
turborreactores civiles es la del mezclador con lóbulos. En efecto,
el mezclador con lóbulos permite obtener una cizalladura radial
entre los flujos primario y secundario a fin de favorecer la mezcla
entre estos flujos. Unos ejemplos de formas de realización de
mezcladores con lóbulos para toberas de flujos separados se
describen en particular en los documentos EP 1 141 534, US nº
5.755.092, US nº 5.924.632 y FR 2 597 157.
Sin embargo, si bien un mezclador de este tipo
permite mejorar el rendimiento y las características acústicas de
los turborreactores con toberas de flujos separados, provoca
inevitablemente un aumento de la masa de la tobera con un impacto
sobre la dinámica de conjunto del motor y sobre su conexión con el
mástil del avión. En efecto, el mezclador con lóbulos está
tradicionalmente realizado en material metálico, típicamente en
Inconel® 625. Representa, por consiguiente, una masa suplementaria
no despreciable en voladizo en el motor que provoca un aumento de
la carga mecánica sobre la brida del cárter de escape de la tobera,
en particular cuando tiene lugar el caso de cargas límites o
extremas como la pérdida de álabe o las respuestas a desequilibrios.
Esta masa suplementaria genera también un aumento de los esfuerzos
en las intercaras motor/mástil.
La presente invención tiene por objetivo
proponer una nueva concepción de mezclador con lóbulos para tobera
de flujos separados que permita reducir las cargas mecánicas
generadas por la presencia de dicha masa a la salida de la
tobera.
Este objetivo es alcanzado debido a que, de
acuerdo con la invención, el mezclador está constituido en dos
partes, a saber una virola de fijación para unir el mezclador al
cárter de escape de la tobera y una estructura con lóbulos
destinada a mezclar los flujos salidos del turborreactor, y porque
la estructura con lóbulos está realizada en material compuesto con
matriz cerámica y comprende unos medios para formar una unión entre
por lo menos una parte de los lóbulos de la estructura.
Así, la mayor parte del mezclador según la
invención, a saber la estructura con lóbulos, está realizada en un
material compuesto con matriz cerámica, lo que permite disminuir de
forma significativa la masa del mezclador y, por consiguiente, la
de la tobera en aproximadamente 30 a 50%.
Además, estando la estructura con lóbulos
realizada en material compuesto termoestructural, presenta unas
buenas propiedades mecánicas que conserva a temperatura elevada.
La unión realizada entre los lóbulos permite
rigidizar y, por consiguiente, reforzar el conjunto de la estructura
con lóbulos, lo que le confiere un comportamiento mecánico por lo
menos igual al de los mezcladores completamente metálicos.
Se entiende por "material compuesto con matriz
cerámica (CMC)", los materiales formados por un refuerzo de
fibras refractarias (carbono o cerámica) densificadas por una matriz
por lo menos parcialmente cerámica. Dichos materiales CMC son en
particular los compuestos C/SiC (refuerzo de fibras de carbono y
matriz de carburo de silicio), los compuestos
C/C-SiC (refuerzo de fibras de carbono y matriz que
comprende una fase carbono, generalmente la más próxima a las
fibras, y una fase carburo de silicio), los compuestos SiC/SiC
(fibras de refuerzo y matriz de carburo de silicio), y los
compuestos óxido/óxido.
La estructura con lóbulos puede estar formada de
una sola pieza o a partir de una pluralidad de sectores ensamblados
entre sí, lo que permite, en ciertos casos, facilitar la fabricación
de la estructura con lóbulos y reducir los costes del recambio.
\newpage
Según un aspecto de la invención, la estructura
con lóbulos comprende un anillo rigidizador que está fijado en la
proximidad del extremo de sus lóbulos internos. Este anillo puede
ser de material metálico o de material compuesto con matriz
cerámica. Puede ser fijado sobre los lóbulos internos por unas
uniones atornilladas, comprendiendo el anillo entonces unos medios
de perfilado para integrar cada unión de manera que limite las
pérdidas aerodinámicas y asegurar el comportamiento del anillo con
respecto a las cargas de pandeo.
Para compensar las dilataciones diferenciales
entre la virola de fijación del mezclador de material metálico y la
estructura con lóbulos de material compuesto con matriz cerámica se
utilizan unas patas de fijación flexibles para fijar la estructura
con lóbulos sobre la virola de fijación.
Asimismo, el capotado externo, que recibe
principalmente un flujo de contorneado a unas temperaturas
inferiores a las recibidas por la virola interna que recibe
principalmente el flujo de gases calientes salidos de la cámara de
combustión del turborreactor, puede ser fijada a la virola interna
por unas patas de fijación flexibles de manera que compensen las
dilataciones diferenciales entre estas dos piezas.
La presente invención tiene también por objeto
un turborreactor cuya tobera de flujos separados comprende un
mezclador tal como el definido anteriormente.
Otras características y ventajas de la invención
se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción
siguiente de modos particulares de realización de la invención,
proporcionados a título de ejemplos no limitativos, haciendo
referencia a los planos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista en perspectiva de un
mezclador para tobera de turborreactor según un modo de realización
de la invención;
- la figura 2 es una vista ampliada de una parte
II del mezclador de la figura 1;
- la figura 3 es una vista en sección según el
plano de corte III de la figura 2;
- la figura 4 es una vista frontal según la
referencia IV de la figura 1;
- la figura 5A es una vista en sección según el
plano de corte A de la figura 4;
- la figura 5B es una vista en perspectiva de
una pata de fijación de la figura 5A;
- la figura 6A es una vista en sección según el
plano de corte B de la figura 4;
- la figura 6B es una vista en perspectiva de
una pata de fijación de la figura 6A;
- la figura 7A es una vista en perspectiva de
una pluralidad de sectores utilizados para formar una estructura
con lóbulos de acuerdo con otro modo de realización de la
invención;
- la figura 7B es una vista en perspectiva de
una estructura con lóbulos obtenida después de ensamblaje de los
sectores de la figura 7A;
- la figura 7C es una vista en sección ampliada
según la referencia VIIC de la figura 7B.
La figura 1 ilustra un mezclador para tobera de
flujos separados de turbomáquina según una forma de realización de
la invención. El mezclador, que se extiende según un eje
longitudinal X-X', comprende, por una parte, una
virola de fijación 10 de material metálico (por ejemplo Inconel®
625) destinada a unir el mezclador al cárter de escape de una
tobera de turborreactor (no representado) y, por otra parte, una
estructura con lóbulos 20 en el extremo de la cual se realiza la
mezcla entre los flujos gaseosos interno salido de la cámara de
combustión del turborreactor (denominado también flujo caliente o
flujo primario) que circula por el interior del mezclador y el
flujo externo que proviene por ejemplo de un soplante corriente
arriba (denominado también flujo frío o flujo secundario) que
circula por el exterior del mezclador.
A fin de limitar el ruido generado en la
confluencia de los dos flujos a la salida del mezclador, la
estructura 100 presenta una serie de ondulaciones que forman una
pluralidad de lóbulos externos 21 e internos 22 repartidos de forma
circunferencial alrededor del eje longitudinal X-X'
del mezclador. De forma bien conocida, la utilización de dicha
estructura con lóbulos en una tobera de mezclador flujo
primario/flujo secundario permite controlar la mezcla entre los dos
flujos de manera que mejore las presentaciones del turborreactor y
reducir el ruido emitido por este último.
De acuerdo con la presente invención, la
estructura con lóbulos 20, que es tradicionalmente de material
metálico, típicamente de Inconel® 625, está en este caso realizada
en material compuesto con matriz cerámica (CMC), es decir un
material formado por un refuerzo de fibras refractarias (carbono o
cerámica) densificado por una matriz por lo menos parcialmente
cerámica.
Para fabricar la estructura con lóbulos de la
presente invención, se realiza una preforma fibrosa con fibras
refractarias (carbono o cerámica) que tiene sustancialmente la forma
de la estructura con lóbulos a realizar. Esta preforma es a
continuación densificada, de forma bien conocida, por vía líquida
y/o gaseosa.
La densificación por vía líquida consiste en
impregnar la preforma por una composición líquida que contiene un
precursor del material de la matriz. El precursor se presenta
habitualmente en forma de un polímero, tal como una resina,
eventualmente diluido en un solvente. La transformación del
precursor en cerámica es realizada por tratamiento térmico, después
de eliminación del eventual solvente y reticulación del polímero.
Varios ciclos de impregnación sucesivos pueden ser realizados para
llegar al grado de densificación deseado. A título ejemplificativo,
unos precursores líquidos de carbono pueden ser unas resinas con
porcentaje relativamente elevado de coque, tales como una resinas
fenólicas, mientras que los precursores líquidos de cerámica, en
particular de SiC, pueden ser unas resinas de tipo policarbosilano
(PCS) o polititanocarbosilato (PTCS).
El procedimiento por vía gaseosa consiste en la
infiltración química en fase vapor. La preforma fibrosa
correspondiente a la estructura a realizar es colocada en un horno
en el cual se admite una fase gaseosa de reacción. La presión y la
temperatura que predominan en el horno y la composición de la fase
gaseosa se eligen de manera que perimitan la difusión de la fase
gaseoso en el seno de la porosidad de la preforma para formar allí
la matriz por depósito, al contacto con las fibras, de un material
sólido resultante de una descomposición de un constituyente de la
fase gaseosa o de una reacción entre varios constituyentes. A título
ejemplificativo, unos precursores gaseosos del carbono pueden ser
unos hidrocarburos tales como metano y/o propano que proporcionan el
carbono por craqueo, y un precursor gaseoso de cerámica, en
particular de SiC, puede ser el metiltriclorosilano (MTS) que
proporciona el SiC por descomposición del MTS.
Existen también unos procedimientos mixtos que
comprenden a la vez unas vías líquidas y unas vías gaseosas.
La estructura con lóbulos según la invención
puede ser realizada en uno de los materiales compuestos con matriz
cerámica (CMC) siguientes: compuesto C/SiC (refuerzo de fibras de
carbono y matriz de carburo de silicio), compuesto
C/C-SiC (refuerzo de fibras de carbono y matriz que
comprende un fase carbono, generalmente la más próxima a las
fibras, y una fase carburo de silicio, compuesto SiC/SiC (fibras de
refuerzo y matriz de carburo de silicio), y compuesto
óxido/óxido.
La estructura según la invención puede ser
formada directamente de una sola pieza. Sin embargo, la estructura
con lóbulos puede ser también formada a partir de una pluralidad de
sectores ensamblados entre sí, lo que puede ser ventajoso en
ciertos casos en particular en razón de la forma compleja de la
estructura a realizar.
Un modo de realización de una estructura con
lóbulos sectorizada está ilustrada en las figuras 7A a 7C. Como se
ha ilustrado en la figura 7A, una estructura con lóbulos 210 está
realizada por ensamblaje de tres sectores 210, 220, 230 fabricados
en material compuesto con matriz cerámica según uno de los
procedimientos de fabricación descrito anteriormente. Cada sector
está realizado separadamente (es decir realización de la preforma
fibrosa y densificación), lo que permite una mayor flexibilidad en
la fabricación así como en el mantenimiento. En efecto, cuando
tiene lugar la fabricación, es posible definir un tamaño de sector
adaptado a las capacidades de los medios de producción. Por
ejemplo, el tamaño de los sectores puede ser definido en función de
la capacidad de carga de los hornos utilizados para los
tratamientos térmicos cuando tiene lugar la densificación, teniendo
estos últimos habitualmente un diámetro de 1.000 mm. Además, según
el tipo de tejido utilizado para el refuerzo fibroso, puede ser
interesante dividir la preforma fibrosa en sectores de dimensiones
adaptadas a la geometría de textura del tejido utilizado. Por otra
parte, en caso de problema (es decir deterioro, choque, desgaste...)
cuando tiene lugar la fabricación o la utilización en servicio de
la estructura con lóbulos, sólo se reemplaza el o los sectores
tocados.
Una vez realizados, los sectores son unidos por
sus extremos de manera que formen una estructura con lóbulos
unitaria 200 tal como la ilustrada en la figura 7B. Según un modo de
realización, los sectores pueden ser ensamblados unos con los otros
por medio de uniones remachadas. Como se ha ilustrado en la figura
7C, se superponen los extremos 211 y 231 respectivamente de dos
sectores adyacentes 210 y 230, presentando cada extremo 211,
respectivamente 231, una pluralidad de orificios 2110
respectivamente 2310, que cooperan entre sí una vez superpuestos
los dos extremos. Se coloca a continuación en cada paso formado por
dos orificios 2110 y 2310 en cooperación un remache 240 que asegura
la fijación entre los sectores. Otros medios de fijación (por
ejemplo uniones atornilladas, soldadura,..) pueden evidentemente
ser utilizados para ensamblar los sectores entre sí.
La utilización de material compuesto con matriz
cerámica para la estructura con lóbulos del mezclador de acuerdo
con la invención permite disminuir la masa de una tobera de forma
significativa en comparación con una tobera convencional equipada
con un mezclador completamente metálico. En efecto, la utilización
de una estructura con lóbulos de material compuesto con matriz
cerámica más preferentemente que de metal permite disminuir la masa
de la tobera en 30 a 50%. Además, los materiales compuestos con
matriz cerámica son conocidos por sus buenas propiedades mecánicas
y su capacidad para conservar estas propiedades a temperatura
elevada. Por consiguiente, la estructura con lóbulos según la
invención está constituida por un material particularmente bien
adaptado para soportar las temperaturas de los flujos generados
corriente arriba en la turbomáquina y en particular las de los gases
calientes salidos de la cámara de combustión (flujo primario).
Sin embargo, a fin de aumentar aquí la capacidad
mecánica y la rigidez de la estructura con lóbulos de material
compuesto con matriz cerámica, la estructura comprende además unos
medios rigidizadores. Según un modo de realización ilustrado en la
figura 1, un anillo rigidizador 30 está fijado en la proximidad de
cada extremo de los lóbulos internos 22 de la estructura 20. Así,
la estructura con lóbulos 20 presenta una resistencia mecánica
incrementada con respecto a las cargas generadas por la corriente de
los flujos salidos del turborreactor. Más precisamente, puesto que
cada extremo de los lóbulos internos es solidario del anillo, la
estructura con lóbulos no puede ser deformada por la corriente de
un flujo ya sea interno o externo. El anillo 30 puede ser de
material metálico o de material compuesto con matriz cerámica. Según
una variante de la invención, el cono de escape del motor puede ser
utilizado en lugar del anillo 30 como medio de rigidización de la
estructura con lóbulos. En este caso, los lóbulos internos de la
estructura se apoyan directamente sobre el cono de escape que
desempeña la función de rigidizador.
Cada lóbulo interno está fijado al anillo por
medio de una unión atornillada 40. A fin de garantizar un buen
comportamiento del anillo con respecto a las cargas de pandeo y
limitar las pérdidas aerodinámicas, las uniones atornilladas están
integradas en unos elementos de perfilado. Más precisamente, tal
como se ha ilustrado en las figuras 2 y 3, se utiliza una cala 44
sobre la parte superior del lóbulo que está perfilada de manera que
limite las perturbaciones sobre la corriente del flujo externo
F_{ext}. La cala 44 presenta un avellanado 441 para recibir la
cabeza del tornillo 42 de la unión 40. Como se ha ilustrado en la
figura 3, se evita así al tornillo 42 estar en resalte sobre la
parte superior del lóbulo 22. Asimismo, por el lado inferior del
lóbulo 22 que descansa sobre el anillo 30, la unión atornillada 40
está integrada en una caja perfilada 31 fijada sobre el anillo 30.
La caja 31 presenta una forma aerodinámica para limitar al máximo la
influencia de la unión 40 sobre la corriente del flujo interno
F_{int}. La caja 31 presenta una abertura 31a que permite el paso
de una herramienta de apriete alrededor de la tuerca 41 de la unión
40. Esta caja contribuye al buen comportamiento del anillo a las
cargas de pandeo.
A continuación se hará referencia a la figura 4
que muestra, de acuerdo con un modo de realización de un mezclador
según la invención, los dispositivos de unión utilizados para fijar,
por una parte, la estructura con lóbulos 20 a la virola de fijación
10 y, por otra parte, el capotado externo 11 a la virola interna
12.
Una de las especificidades del material
compuesto con matriz cerámica con el cual está constituida la
estructura con lóbulos 20 es tener un bajo coeficiente de
dilatación térmica con respecto al material metálico del cual están
constituidas las otras piezas del mezclador como en particular la
virola interna 12 sobre la cual la estructura con lóbulos 20 está
fijada. Estas piezas son sometidas a unas subidas de temperatura
importantes generadas por los gases de combustión del motor.
También, para compensar las dilaciones diferenciales entre la
estructura con lóbulos de material compuesto con matriz cerámica y
la virola interna 12 de material metálico, se utilizan unas patas
de fijación metálicas flexibles 13 para compensar estas diferencias
de dilatación y limitar la carga mecánica inducida sobre la
estructura con lóbulos. Tal como se ha ilustrado en las figuras 5A
y 5B, la parte superior de las patas 13 presenta unos orificios 13c
que cooperan con unos orificios 20a de la estructura con lóbulos
para el paso de uniones atornilladas 132. La parte inferior de las
patas 13 presenta unos orificios 13b que cooperan con unos
orificios 12a de la virola interna 12, asegurando unas uniones
atornilladas 131 la fijación entre estas dos piezas. Las patas
flexibles 13 presentan además unas aberturas 13a para el paso de las
llaves de apriete de la tornillería.
Asimismo, para la absorción de las dilataciones
diferenciales entre el capotado externo 11 y la virola interna 12
que reciben respectivamente unos flujos (flujo primario y
secundario) a unas temperaturas diferentes, se utilizan unas patas
de fijación metálicas flexibles 14 que están fijadas, por una parte,
a la virola interna 12 por unas uniones atornilladas 141 y, por
otra parte, al capotado externo 11 por unos remaches 142 (figuras 6A
y 6B).
Así, gracias a la concepción del mezclador según
la invención, es posible reducir la masa en voladizo, lo que limita
potencialmente la carga mecánica sobre la brida del cárter de escape
de la tobera en caso de cargas importantes generadas por ejemplo
por la pérdida de un álabe o por un desequilibrio. Por su masa
aligerada, el mezclador de la invención permite también reducir los
esfuerzos en las intercaras motor/mástil.
Claims (12)
1. Mezclador para tobera de flujos separados de
turborrecactor que comprende, según un eje longitudinal
(X-X'), una virola de fijación (10) para unir dicho
mezclador al cárter de escape de la tobera y una estructura con
lóbulos (20) destinada a mezclar los flujos salidos del
turborreactor, presentando dicha estructura una sucesión de lóbulos
internos (22) y externos (21) repartidos de manera circunferencial
alrededor del eje longitudinal (X-X') del
mezclador, caracterizado porque la estructura con lóbulos
(20) está realizada en material compuesto con matriz cerámica y
porque comprende además unos medios rigidizadores para formar una
unión entre los lóbulos internos (22) de la estructura con lóbulos
que impide la deformación de dicha estructura por la corriente de
los flujos salidos del turborreactor.
2. Mezclador según la reivindicación 1,
caracterizado porque la estructura con lóbulos (20) está
formada en un material compuesto con matriz cerámica seleccionado
de entre los materiales compuestos
C/SiC,C/C-SiC,SiC/SiC y óxido/óxido.
3. Mezclador según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque comprende un anillo rigidizador (30)
fijado en la proximidad del extremo de los lóbulos internos (22) de
la estructura con lóbulos (20).
4. Mezclador según la reivindicación 3,
caracterizado porque el anillo rigidizador (30) es de
material metálico o de material compuesto con matriz cerámica.
5. Mezclador según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizado porque el anillo rigidizador (30) está fijado
sobre los lóbulos internos (22) por unas uniones atornilladas (4),
comprendiendo el anillo además unos medios de perfilado para
integrar cada unión (40) de manera que limite las pérdidas
aerodinámicas y asegurar el comportamiento del anillo con respecto
a las cargas de pandeo.
6. Mezclador según la reivindicación 5,
caracterizado porque el anillo rigidizador (30) comprende una
caja perfilada (31) para integrar la parte de las uniones
atornilladas (40) en resalte en el interior del anillo
rigidizador.
7. Mezclador según la reivindicación 5 ó 6,
caracterizado porque las uniones atornilladas (40) comprenden
cada una una cala perfilada (44) dispuesta sobre los lóbulos
internos (22) para integrar la parte (42) de las uniones
atornilladas en resalte sobre los lóbulos internos.
8. Mezclador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la estructura
con lóbulos (200) está formada por una pluralidad de sectores (210,
220, 230) ensamblados entre sí.
9. Mezclador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la estructura
con lóbulos está formada de una sola pieza.
10. Mezclador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la virola de
fijación (10) del mezclador es de material metálico y porque la
estructura con lóbulos (20) de material compuesto con matriz
cerámica está fijada a dicho anillo de fijación por medio de las
patas de fijación flexibles (13) de manera que se compensen las
dilataciones diferenciales entre el anillo de fijación y la
estructura con lóbulos.
11. Mezclador según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la virola de
fijación (10) comprende una virola interna (12) que recibe
principalmente el flujo de gases calientes salidos de la cámara de
combustión del turborreactor y un capotado externo (11) que recibe
principalmente un flujo de contorneado de temperatura inferior,
estando dicho capotado externo fijado a la virola interna por medio
de patas de fijación flexibles (14) de manera que se compensen las
dilataciones diferenciales entre estas dos piezas.
12. Turborreactor que comprende una tobera de
flujos separados, caracterizado porque la tobera está
equipada con un mezclador según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 11.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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Publications (1)
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES05800618T Expired - Lifetime ES2329392T3 (es) | 2004-09-29 | 2005-09-28 | Mezclador para tobera de flujos separados. |
Country Status (11)
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