ES2345871T3 - Tobera de escape de bloqueo del flujo. - Google Patents

Abstract

Una tobera de escape (10) para un motor de aeronave que comprende: un soporte (20) para la fijación de la tobera de escape (10) a un extremo corriente abajo del motor; unas primera y segunda aletas corriente arriba opuestas (30) conectadas de manera amovible al soporte (20) que presentan unas superficies internas (34) que definen una trayectoria de flujo del gas de escape, extendiéndose cada aleta corriente arriba (30) entre un extremo corriente arriba y un extremo corriente abajo y siendo amovible con respecto al soporte (20) entre una posición abierta en la cual los extremos corriente abajo de las aletas corriente arriba (30) están separadas por una primera distancia, y una posición cerrada en la cual dichos extremos corriente abajo se tocan para sustancialmente bloquear el flujo a través de dicha trayectoria del flujo del gas de escape; y unas primera y segunda aletas corriente abajo opuestas (50) conectadas de manera amovible a dichas primera y segunda aletas corriente arriba (30) y que presentan una superficies internas (52) que delimitan una trayectoria del flujo del gas de escape corriente abajo; en la que unas aletas corriente arriba y corriente abajo (30, 50) están conectadas en una unión (60), presentando dichas primera y segunda aletas corriente arriba opuestas (30) unos salientes (40) sobre ellas en dicha unión (60), teniendo dichos salientes (40) el tamaño preciso y estando situados para tocarse cuando dichas aletas corriente arriba (30) están en dicha posición cerrada para sustancialmente bloquear el flujo a través de dichas trayectorias del flujo de gas de escape corriente arriba y corriente abajo, caracterizada porque los salientes (40) tienen el tamaño preciso y están situados para que estén en el exterior de la trayectoria de flujo del gas de escape corriente arriba y de la trayectoria de flujo del gas de escape corriente abajo cuando las aletas corriente arriba (30) están en la posición abierta.

Description

Tobera de escape de bloqueo del flujo.

La presente invención se refiere, en general, al campo de los sistemas de escape de motores de aeronaves de turbina a gas y, en particular, a una tobera de escape capaz de bloquear completamente el flujo del gas de escape.

Las modernas aeronaves capaces de despegue y aterrizaje en terrenos cortos (STOVL) deben operar eficazmente en una amplia gama de condiciones de vuelo, incluyendo el vuelo hacia delante y el vuelo vertical o estacionario. Esas condiciones imponen unas exigencias especiales sobre las toberas de escape. En el vuelo hacia delante, la tobera debe eficazmente acelerar el gas de escape de alta presión en dirección genéricamente horizontal para generar un empuje hacia delante cuando el gas sale desde un extremo trasero de la aeronave. En el vuelo vertical, la tobera debe impedir que el gas de escape salga horizontalmente, en lugar de dirigirlo verticalmente hacia abajo para generar la elevación.

La tobera típicamente incluye unas aletas que delimitan un conducto corriente arriba convergente que comunica con un área de flujo mínimo conocida como garganta, y un conducto corriente abajo divergente que se extiende desde la garganta hasta una salida. La tobera incluye, así mismo, un mecanismo para desplazar las aletas de manera que la garganta y la salida puedan ser modificadas de tamaño para conseguir un funcionamiento eficaz del motor en todos los reglajes de potencia del motor, velocidades de vuelo y altitudes. Las aletas están construidas para resistir la exposición al gas de escape de alta presión y alta temperatura en un entorno altamente vibratorio. La mayoría de las aletas de las toberas incorporan una camisa, una placa metálica delgada diseñada para tolerar altas temperaturas que se extiende en paralelo sobre y adyacente a la aleta. Una capa de aire refrigerante se dispone típicamente entre la camisa y la aleta. La camisa puede incluir uno o más revestimientos de un material que reduzca la visibilidad por radar o infrarrojos o potencie la protección térmica de la camisa.

El documento US 4 196 856 divulga la materia objeto del preámbulo de la reivindicación 1 y, en particular una tobera de escape para motores de turbina a gas de geometría variable en la que la superficie interna de la carcasa de la tobera y la superficie del obturador de cola están definidas mediante dos conjuntos de elementos que se extienden axialmente engoznados y la superficie exterior de la carcasa de la tobera está delimitada mediante un solo conjunto de elementos que se extienden axialmente. Los elementos presentan una geometría anular con unos elementos adyacentes que se superponen circularmente entre sí para definir un conducto de escape anular.

Las toberas de escape actuales no han sido capaces de impedir completamente que todo el flujo de escape salga a través de la tobera. Las aletas convencionales no pueden cerrar la tobera sin provocar daños debido a que las camisas, los revestimientos y las estructuras de las aletas son típicamente frágiles y se rompen con facilidad. Cualquier fuga del gas de escape a través de la tobera reduce la elevación potencial y degrada el rendimiento de la aeronave y la carga útil. Por consiguiente, es fundamental que todo el gas de escape quede bloqueado. En consecuencia, algunas aeronaves presentan un dispositivo bloqueador separado, como por ejemplo un concha de almeja desplegable, en el sistema de escape para bloquear completamente el flujo. Estos dispositivos añaden un peso y una complejidad sustanciales al sistema de escape.

La presente invención se define en la reivindicación 1.

A continuación se describirá la invención con mayor detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los cuales:

La Fig. 1 es una sección en alzado lateral esquemática de una tobera de escape de acuerdo con la presente invención, en posición abierta;

la Fig. 2 es una sección en alzado lateral esquemática de tamaño ampliado de una porción de la tobera en posición de vectorización de empuje hacia arriba;

la Fig. 3 es una vista de tamaño ampliado de una junta articulada de la tobera en la posición abierta;

la Fig. 4 es una sección en alzado lateral esquemático de la tobera de escape en posición cerrada;

la Fig. 5 es un detalle de una porción de la Fig. 4, que muestra los salientes de las aletas trabados de forma estanca;

la Fig. 6 es un detalle de una segunda forma de realización de la presente invención; y

la Fig. 7 es un detalle de una tercera forma de realización de la presente invención

Los caracteres de referencia correspondientes indican partes correspondientes a lo largo de las diferentes vistas de los dibujos.

Con referencia ahora a los dibujos y, en particular, a la Fig. 1, una tobera de escape para un motor de aeronave de turbina a gas se designa globalmente mediante la referencia numeral 10. La tobera 10 delimita una trayectoria de flujo del gas de escape del motor el cual sale genéricamente en sentido horizontal desde un extremo trasero de una aeronave (no mostrada). La presente invención está particularmente adaptada para toberas que presentan una trayectoria de flujo genéricamente de forma rectangular y unas secciones genéricamente uniformes a través de una anchura de la tobera. Dichas toberas son conocidas como "toberas convergentes - divergentes bidimensionales (2-D C-D)". La descripción se referirá básicamente a esta aplicación. Sin embargo, debe entenderse que la invención puede ser utilizada con otros tipos de toberas que tengan una diversidad de formas en sección sin apartarse del alcance de la presente invención.

La tobera 10 incluye un conducto convergente indicado genéricamente con la referencia numeral 12 que define una frontera corriente arriba del flujo de gas de escape. La tobera 10 incluye también un conducto divergente indicado genéricamente con la referencia numeral 14 que delimita una frontera corriente abajo del flujo de gas de escape. El conducto divergente 14 está situado corriente abajo respecto del conducto convergente 12. Cuando el gas se desplaza corriente abajo a través de la tobera 10, un área en sección transversal disponible para el flujo del gas generalmente disminuye en el conducto convergente 12 y aumenta en el conducto divergente 14. Un plano de un área en sección transversal mínima, conocida como "garganta" 16, está situado entre el conducto convergente 12 y el conducto divergente 14. Para el funcionamiento normal de la tobera 10 (esto es, en condiciones de cerrada y de flujo total), el gas de escape se acelera a través del conducto convergente 12 hasta conseguir una velocidad sónica (Mach 1,0) en la garganta 16 y continúa acelerándose a través del conducto divergente 14 hasta alcanzar una velocidad supersónica (mayor de Mach 1,0) en una salida 18 de la tobera. Las propiedades del flujo variarán dependiendo de las áreas en sección transversal de la garganta 16 y de la salida 18 y de la presión, la temperatura y la cantidad del gas de escape inicial.

La tobera de escape 10 incluye un soporte 20 para fijar la tobera a un extremo corriente abajo del motor (no mostrado). De modo preferente, el soporte 20 comprende un conducto de transición que se extiende desde la corriente abajo del motor hasta un extremo corriente arriba del conducto convergente 12. El conducto de transición altera una forma en sección transversal de la trayectoria del flujo genéricamente circular en el motor hasta genéricamente rectangular en el conducto convergente 12. Una línea central de referencia 22 se muestra en el centro de la tobera 10.

El conducto convergente 12 incluye unas primera y segunda aletas convergentes opuestas corriente arriba 30 conectadas de manera amovible al soporte 20. De modo preferente, las aletas convergentes 30 están fijadas a los pivotes 32 a un extremo corriente abajo del soporte 20. Las aletas 30 son desplazadas hasta unas posiciones seleccionadas mediante un sistema de control convencional que incluye unos accionadores hidráulicos o eléctricos (no mostrados). Cada aleta 30 se extiende entre un extremo corriente arriba situado en el pivote 32 y un extremo corriente abajo situado cerca de la garganta 16 de la tobera. Las superficies internas 34 de las aletas 30 delimitan una trayectoria del flujo del gas de escape. Las superficies internas 34 son genéricamente planas y están contorneadas en los extremos de las aletas 30 donde coinciden con una estructura adyacente situada en el soporte 20 y en el conducto divergente 14. Los extremos contorneados de las aletas 30 proporcionan una trayectoria de flujo lisa en las uniones sin la presencia de ningún escalón o huelgo que pudiera interrumpir el flujo continuo sin obstáculos y que pudiera degradar potencialmente la prestación de empuje. Al no tener las aletas 30 configuraciones planas o de otro tipo los contornos terminales no se apartan del alcance de la presente invención.

Las primera y segunda aletas convergentes opuestas 30 pueden ser basculadas con respecto al soporte 20 para ajustar el tamaño de la garganta 16 de la tobera definidas por los extremos corriente abajo de las aletas 30. Las aletas 30 pueden ser desplazadas hasta una posición abierta mostrada en la Fig. 1, típicamente utilizada durante el vuelo hacia delante de la aeronave, en la que el gas de escape puede fluir a través de la tobera 10. Como apreciarán los expertos en la materia, la distancia existente entre los extremos corriente abajo de las aletas 30 puede se ajustada hasta cierto punto de acuerdo con lo requerido para el funcionamiento adecuado del motor en una específica condición de vuelo y de acuerdo con el ajuste de la potencia. De acuerdo con lo expuesto más adelante, las aletas 30 pueden ser desplazadas hasta una posición cerrada mostrada en la Fig. 4 en la cual los salientes 40 situados sobre los extremos corriente abajo de las aletas se tocan para sustancialmente tocar el flujo a través de la trayectoria del flujo del gas de escape.

El conducto divergente 14 incluye unas primera y segunda aletas divergentes corriente abajo opuestas 50 que están conectadas mediante pivote a las primera y segunda aletas convergentes corriente arriba 30, respectivamente. Las superficies internas 52 de la aletas divergentes 50 delimitan una trayectoria de flujo del gas corriente abajo. De modo preferente, las superficies internas son planas, aunque pueden ser utilizadas unas aletas 50 que tengan unos contornos no planos sin apartarse del alcance de la presente invención. Las aletas divergentes 50 pueden ser desplazadas tanto para alterar las áreas en sección transversal como para girar o vectorizar el flujo, como se muestra en la Fig. 2 en la que la tobera 10 está en una posición de vectorización del empuje.

Una camisa 54 está dispuesta sobre las superficies internas 34 y 52 de las aletas 30, 50, aunque debe entenderse que la camisa puede omitirse sin apartarse del alcance de la presente invención. La camisa puede tener uno o más revestimientos (no mostrados) de un material para reducir la visibilidad por infrarrojos o potenciar al máximo la protección térmica de la camisa. La camisa 54 a lo largo de las aletas divergentes 50 pueden ser fácilmente retiradas y vueltas a instalar por razones de mantenimiento debido a que es plana y sin extremos contorneados.

Una pared lateral (no mostrada) está situada a lo largo de cada lado de la tobera 10 para contener el flujo dentro de los conductos convergente y divergente, 12 y 14, respectivamente. De modo preferente, las paredes laterales presentan unas superficies internas que son macizas, planas y orientadas para constituir una trayectoria de flujo de forma genéricamente rectangular a lo largo de una entera longitud de los conductos 12, 14 cuando son trabados por las aletas convergentes y divergentes 30 y 50, respectivamente. Sin embargo, las paredes laterales pueden presentar una diversidad de formas longitudes o unas configuraciones con agujeros de ventilación (esto es, no macizas) sin apartarse del alcance de la presente invención.

Una unión articulada, o junta, indicada genéricamente con la referencia numeral 60, conecta cada aleta convergente corriente arriba 30 a una aleta correspondiente divergente corriente abajo 50. Con referencia a la Fig. 3, la junta 60 incluye un pasador de articulación 62 que se extiende a través de unos agujeros alineados existentes en las aletas convergente y divergente. El extremo corriente abajo de la aleta convergente 30 y el extremo delantero de la aleta divergente 50 están constituidos para quedar conectados mediante pivote para permitir el movimiento angular relativo entre las aletas. La aleta divergente 50 incorpora un conector con forma de gancho 64 con una o más patillas situadas sobre un extremo del conector que constituyen una fijación tipo horquilla con la aleta convergente 30. La superficie interna 34 del lado del flujo de la aleta convergente 30 se incurva alrededor del pasador de articulación 62. La aleta convergente 30 incorpora el saliente 40 que se extiende desde el extremo trasero. La aleta divergente 50 presenta una superficie de forma cóncava, arqueada, 66 que constituye una guía centrada en el pasador de articulación para acomodar el saliente 40. Cuando las aletas son desplazadas una con respecto a otra, el saliente 40 se desplaza por dentro de la guía, de manera que se constituye un pequeño huelgo 68 entre la superficie 66 y una punta 70 del saliente.

Un cierre hermético indicado genéricamente con la referencia numeral 80 está situado en la junta 60 para impedir que el gas de escape se fugue a través del huelgo 68 entre la aleta convergente 30 y la aleta divergente 50. El gas de escape tiende a fugarse a partir de la corriente de flujo hasta una cavidad de las aletas existente entre las aletas y una línea de moldeo externa porque la presión de la trayectoria de flujo es más alta que la presión existente fuera de la tobera 10. La fuga del gas de escape reduce el rendimiento de empuje de la tobera. El cierre hermético 80 está conformado para trabar de manera simultánea la superficie cóncava 66 de la aleta divergente 50 y un resalto 82 situado sobre la aleta convergente 30. El cierre hermético 80 presenta unas primera y segunda patas 84 y 86, respectivamente. La segunda pata 86 está fijada a la superficie 66. La primera pata 84 puede ser deslizada a lo largo del resalto 82 para proporcionar un cierre hermético sin impedir el movimiento rotatorio de las aletas alrededor del pasador de articulación 62. La primera pata 84 tiene una punta girada hacia arriba 88 adaptada para trabar el resalto 82 y hacer volver el cierre hermético 80 hasta una posición operativa adecuada después de que las aletas han sido rotadas hasta una posición de cierre, como se muestra en las Figs. 4 y 5, donde la primera pata resulta desenganchada del resalto. El cierre hermético 80 está constituido con un material resilientemente flexible apropiado para su enganche deslizable y su cierre hermético contra la superficie cóncava 66 incluso a altas temperaturas, como por ejemplo una chapa de metal (por ejemplo, una aleación de níquel, como puede ser la aleación INCONEL, una marca registrada de Inco Alloys International, Inc. de Huntington, West Virginia).

De modo significativo, el cierre hermético 80 está situado corriente abajo respecto de la garganta 66, de manera que está expuesto a unas presiones más bajas del gas de escape que si estuviera en emplazamientos corriente arriba respecto de la garganta. Ello permite que el cierre hermético 80 sea más ligero, más efectivo, y más viable porque el diferencial de presión a través del cierre hermético es inferior al de los cierres herméticos situados corriente arriba respecto de la garganta 66. El cierre hermético 80 es situado donde pueda ser instalado y retirado de la tobera 10 sin retirar otras piezas de la tobera. De esta forma, el cierre hermético 80 es fácilmente sustituido si resulta dañado. Cierres herméticos que presentan otras configuraciones pueden ser utilizados sin apartarse del alcance de la invención.

Cada salida 40 tiene el tamaño preciso y está situado para que quede por fuera de la frontera corriente arriba del flujo del gas de escape y de la frontera corriente abajo del flujo de gas de escape cuando las aletas convergentes 30 están en la posición abierta. Como se muestra en las Figs. 1 a 3, el saliente 40 está generalmente oculto, o alojado en la guía cuando las aletas están situadas para un vuelo hacia delante. En estas posiciones, el saliente 40 está protegido y no es visible a los sensores de radar externos.

Cuando las aletas convergentes 30 son desplazadas hasta la posición cerrada como se muestra en las Figs. 4 y 5, los salientes 40 están al descubierto, o desplegados. Los salientes opuestos 40 funcionan como miembros de bloqueo, trabándose entre sí de una forma genéricamente estanca para bloquear sustancialmente el flujo a través de la trayectoria de flujo del gas de escape. Las puntas 70 de cada saliente que traban el saliente opuesto, pueden ser de metal, pueden estar hechos del mismo material que la estructura de las aletas, o pueden estar cubiertas con una almohadilla de material apropiado para conseguir la estanqueidad. El contacto entre los salientes 40 es un solo punto de traba entre las primera y segunda aletas convergentes corriente arriba 30 cuando las aletas están en la posición cerrada. Las aletas, las camisas 54 y los revestimientos no contactan con ninguna otra estructura, precluyendo cualquier daño. Los salientes opuestos 40 tienen el tamaño preciso para quedar trabados entre sí al nivel de la región de contacto 90 (Fig. 5) constituyendo un ajuste de interferencia una con otra cuando la tobera 10 está en la posición cerrada. El ajuste de interferencia contribuye a asegurar que los salientes 40 queden apretados firmemente uno contra otra para sellar efectivamente la compuerta de la tobera.

Como apreciarán los expertos en la materia, los salientes 40 pueden extenderse desde las aletas divergentes corriente abajo 50, en lugar de desde las aletas convergentes 30 sin apartarse del alcance de la presente invención. Así mismo, los salientes 40 pueden tener prácticamente cualquier forma siempre que básicamente constituyan un cierre hermético uno contra otro.

La Fig. 6 ilustra una segunda forma de realización 100 de la invención en la cual un cierre hermético 102 está montado sobre la punta 70 de uno de los salientes opuestos 40. Cuando las aletas son desplazadas hasta la posición cerrada, el cierre hermético 102 se deforma de manera resiliente cuando traba el saliente opuesto 40 para constituir un cierre básicamente estanco. El cierre hermético 102 se constituye con un material resilientemente flexible apropiado para el cierre hermético contra el saliente opuesto 40 incluso a altas temperaturas, como por ejemplo, una chapa de metal (por ejemplo una aleación de níquel, como por ejemplo INCONEL). Un segundo cierre hermético 102 podría también quedar montado sobre la punta 70 del saliente opuesto. Aunque el cierre hermético 102 mostrado en la Fig. 6 es un diseño de junta de lámina constreñida, pueden ser utilizadas otras configuraciones de junta hermética para su cierre hermético contra un saliente opuesto 40 sin apartarse del alcance de la presente invención.

Una tercera forma de realización 110 de la invención, mostrada en la Fig. 7, incluye un cierre hermético 112 montado sobre el extremo corriente abajo de la aleta convergente 30. El cierre hermético 112 impide que el gas de escape se fugue por el huelgo 68 existente entre la aleta convergente 30 y la aleta divergente 50. La aleta convergente 30 de la tercera forma de realización 110 presenta un segundo saliente 114 sobre el extremo corriente abajo. El segundo saliente 114 presenta una cavidad 116 en la punta en la cual se sitúa el cierre hermético resilientemente flexible 112. El cierre hermético 112 está constituido con un material resilientemente flexible apropiado para su encaje de forma deslizable y su cierre hermético contra la superficie cóncava 66 incluso a altas temperaturas como por ejemplo una chapa de metal (por ejemplo una aleación de níquel, como por ejemplo una aleación de INCONEL). El cierre hermético 112 tiene un diseño convencional, constituido en términos generales con forma de letra W o E. Una ventaja de la tercera forma de realización 110 es que el cierre hermético 112 es accesible a través del extremo trasero de la tobera 10, y puede ser instalado y retirado sin retirar o desmontar otras piezas de la tobera.

En la presentación de los elementos de la presente invención o de sus formas de realización preferentes, los artículos "un"; "el", "dicho" pretenden significar que son uno o más de los elementos. Los términos "que comprende", "que incluye", y "que tiene" pretenden ser inclusivos y significar que puede haber elementos adicionales distintos de los elementos relacionados.

Claims (7)

1. Una tobera de escape (10) para un motor de aeronave que comprende:

un soporte (20) para la fijación de la tobera de escape (10) a un extremo corriente abajo del motor;

unas primera y segunda aletas corriente arriba opuestas (30) conectadas de manera amovible al soporte (20) que presentan unas superficies internas (34) que definen una trayectoria de flujo del gas de escape, extendiéndose cada aleta corriente arriba (30) entre un extremo corriente arriba y un extremo corriente abajo y siendo amovible con respecto al soporte (20) entre una posición abierta en la cual los extremos corriente abajo de las aletas corriente arriba (30) están separadas por una primera distancia, y una posición cerrada en la cual dichos extremos corriente abajo se tocan para sustancialmente bloquear el flujo a través de dicha trayectoria del flujo del gas de escape; y

unas primera y segunda aletas corriente abajo opuestas (50) conectadas de manera amovible a dichas primera y segunda aletas corriente arriba (30) y que presentan una superficies internas (52) que delimitan una trayectoria del flujo del gas de escape corriente abajo;

en la que unas aletas corriente arriba y corriente abajo (30, 50) están conectadas en una unión (60), presentando dichas primera y segunda aletas corriente arriba opuestas (30) unos salientes (40) sobre ellas en dicha unión (60), teniendo dichos salientes (40) el tamaño preciso y estando situados para tocarse cuando dichas aletas corriente arriba (30) están en dicha posición cerrada para sustancialmente bloquear el flujo a través de dichas trayectorias del flujo de gas de escape corriente arriba y corriente abajo,

caracterizada porque los salientes (40) tienen el tamaño preciso y están situados para que estén en el exterior de la trayectoria de flujo del gas de escape corriente arriba y de la trayectoria de flujo del gas de escape corriente abajo cuando las aletas corriente arriba (30) están en la posición abierta.

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2. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las primera y segunda aletas corriente arriba (30) son susceptibles de traba sobre dichos salientes (40) cuando las aletas corriente arriba (30) están en la posición cerrada.

3. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dichos salientes (40) se extienden desde los extremos corriente abajo de cada una de las aletas corriente arriba (30).

4. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 3, en la cada una de las aletas corriente abajo (50) presenta una guía en su extremo corriente arriba para recibir dicho saliente (40) que se extiende desde la correspondiente aleta corriente arriba (30) cuando las aletas corriente arriba (30) están en la posición abierta.

5. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 4, en la que dicha guía es arqueada.

6. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende así mismo un cierre hermético (80) dispuesto entre dichas aletas corriente arriba (30) y dichas aletas corriente abajo (50) para impedir que el gas de escape se fugue por entre dichas aletas corriente arriba (30) y dichas aletas corriente abajo (50).

7. Una tobera de escape (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dichas aletas corriente arriba (30) están fijadas mediante pivote a dicho soporte (20) y dichas aletas corriente abajo (50) están fijadas mediante pivote a dichas aletas corriente arriba (30).