ES2698953T3 - Procedimiento y arquitectura de transferencia optimizada de energía entre un motor auxiliar de potencia y los motores principales de un helicóptero - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de transferencia optimizada de energía de un motor auxiliar (8) hacia los motores principales (1, 1') de un helicóptero que comprende unos motores principales establecidos para suministrar energía propulsora y un motor auxiliar establecido para suministrar energía no propulsora, caracterizado por que consiste, en ciertas fases de vuelo, en transmitir la potencia generada por el motor auxiliar (8) a los motores principales (1, 1') mediante conexión del árbol impulsor (82) del motor auxiliar (8) a al menos un árbol impulsor (25, 25') y/o de transmisión de potencia (31, 31') de al menos un motor principal (1, 1') por intermedio de al menos una adaptación de potencia (83, 84, 11).
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento y arquitectura de transferencia optimizada de energía entre un motor auxiliar de potencia y los motores principales de un helicóptero
Campo técnico
La invención concierne a un procedimiento de transferencia optimizada de energía entre un motor auxiliar de potencia, en particular una unidad de potencia auxiliar, conocida bajo la denominación abreviada APU (iniciales de “Auxiliary Power Unit” en terminología inglesa), y los motores principales de un helicóptero, así como a una arquitectura de puesta en práctica de este procedimiento.
Los helicópteros están equipados con motores principales que sirven para la propulsión y, en ocasiones, con un motor auxiliar. Actualmente, los motores auxiliares son grupos APU, que son pequeñas turbinas de gas, suministran potencia no propulsora -eléctrica, mecánica, hidráulica y/o neumática- en las fases de vuelo en las que los motores principales no están en condiciones de hacerlo: en tierra, en las fases de transición (despegue, aterrizaje), en las fases de búsqueda, etc.
Cuando los motores principales están operativos, el grupo APU está apagado. En régimen de avería en un motor (de modo abreviado, OEI, iniciales de “One Engine Inoperative” en terminología inglesa), se demanda al motor sano una rápida aceleración. El documento GB 2460246 da a conocer un ejemplo de un motor auxiliar para ayudar a un rotor en el caso de autorrotación a baja altitud.
Por lo tanto, los grupos APU permanecen apagados en vuelo, por lo que representan una carga inútil. La invención se refiere a la optimización de la utilización de los grupos APU con el fin de rentabilizar su presencia.
Estado de la técnica
Un motor convencionalmente incluye, básicamente, un generador de gas determinado a partir de un conjunto compresor - cámara de combustión - turbina, dispuesto entre una entrada de aire y una tobera de escape. En funcionamiento, el combustible se inyecta en la cámara y la combustión de la mezcla combustible/aire suministra gases energéticos. Estos gases calientes son expansionados en la turbina que arrastra mecánicamente el compresor por intermedio de un árbol de alta presión (AP de modo abreviado). El árbol impulsor transmite asimismo la potencia disponible a los equipos y accesorios consumidores de energía. Este tipo de arquitectura y de funcionamiento se cumple lo mismo para los motores principales que para los grupos APU.
Para los motores principales, la potencia se transmite al rotor del helicóptero por intermedio de una caja de reducción. Los motores modernos disponen asimismo de una turbina libre de potencia de arrastre de la caja de reducción. Los gases de combustión experimentan una segunda expansión en la turbina libre. Sobre el árbol de esta turbina, la caja de reducción arrastra, aparte del rotor, equipos consumidores de energía: bomba, alternador y/o compresor de carga.
En una arquitectura simplificada sin turbina libre, la caja de reducción (o directamente los equipos, en la solución más simple) se halla montada sobre el árbol AP del generador de gas. Para los grupos APU, la turbina arrastra los accesorios consumidores por intermedio de una caja de engranajes montada sobre el árbol.
De manera general, los grupos APU no dejan de ser una carga inútil en vuelo, y la capacidad de suministro de potencia por el conjunto de la motorización disponible no está optimizada.
Exposición de la invención
La invención está encaminada a optimizar el conjunto de la motorización disponible en un helicóptero mediante la utilización de un motor auxiliar para aportar energía a los equipos y accesorios del helicóptero. Por motor auxiliar, se entiende todo sistema térmico que permite aportar potencia, como un grupo APU, pero también, de manera general, una turbina de gas o un motor térmico, por ejemplo un motor diésel, o también una pila de combustible.
Más concretamente, la presente invención tiene por objeto un procedimiento de transferencia optimizada de energía entre un motor auxiliar, establecido para suministrar energía no propulsora, y los motores principales de un helicóptero, consistente en aportar toda la potencia disponible generada por el motor auxiliar hacia los motores principales mediante conexión del árbol impulsor del motor auxiliar al árbol impulsor y/o de transmisión de potencia de cada motor principal por intermedio de una adaptación de potencia, en fases de vuelo en las que la potencia generada por el motor auxiliar se añade a la potencia generada por al menos un motor principal. En estas condiciones, el motor auxiliar puede participar en un aumento de la potencia propulsora y/o en el suministro de potencia no propulsora. La adaptación de potencia es una adaptación mecánica o una conversión de potencia mecánica en potencia eléctrica, neumática y/o hidráulica.
De acuerdo con formas preferidas de puesta en práctica:
- la conexión del árbol de transmisión del motor auxiliar con al menos un motor principal se realiza sobre uno
de los árboles de este motor principal seleccionado de entre el árbol impulsor de una arquitectura de motor con turbina ligada, el árbol impulsor del generador de gas y/o el árbol de transmisión de potencia de una arquitectura de motor con turbina libre;
- la aportación de potencia del motor auxiliar se ajusta entre los motores principales para tender hacia un equilibrio de potencia entre estos motores mediante compensación del funcionamiento asimétrico de dichos motores en el caso en que esta asimetría esté provocada involuntariamente por fallo parcial de uno de los motores, y mediante aportación al motor solicitado en caso de asimetría voluntaria en función de las fases de misión del helicóptero;
- la aportación de potencia mecánica generada por el motor auxiliar se convierte a una energía seleccionada entre una energía de naturaleza eléctrica, neumática, mecánica y/o hidráulica;
- siendo el motor auxiliar una turbina de gas, se realiza un intercambio térmico entre los gases de escape de cada motor principal y el aire a la salida de compresión del motor auxiliar con el fin de recuperar al menos en parte la energía térmica de los gases de escape y de reinyectar el aire así recalentado aguas arriba de la combustión de los gases del motor auxiliar;
- el motor auxiliar funciona a cámara apagada, sin aportación de combustible, cuando los gases de escape de los motores principales aportan al motor auxiliar una energía térmica suficiente para servir de foco caliente.
La invención se refiere asimismo a una arquitectura de transferencia optimizada de energía entre un motor auxiliar, establecido para suministrar energía no propulsora, y los motores principales de un helicóptero, apta para llevar a la práctica el anterior procedimiento. Los motores principales incluyen un generador de gas en conjunción con cajas de reducción y accesoria de tomas de potencia mecánica, eléctrica y/o hidráulica, y en conjunción con, para el motor auxiliar, al menos un órgano de conversión de potencia. En esta arquitectura, el órgano de conversión de potencia del motor auxiliar está unido a los equipos y accesorios, ya sea directamente, o bien a través de la caja de reducción y/o la caja accesoria de los motores principales.
De acuerdo con formas particulares de realización:
- estando equipados los motores principales con una turbina libre montada sobre un árbol de transmisión de potencia, la caja de reducción está en engrane sobre el árbol de transmisión de potencia de la turbina libre; - el órgano de conversión de potencia del motor auxiliar se selecciona de entre un generador eléctrico de transmisión de potencia eléctrica, un compresor de carga de transmisión de potencia neumática y una caja de transmisión de potencia mecánica o hidráulica;
- estando equipados los motores principales con una tobera de escape de los gases y con un intercambiador térmico de recuperación integrado en esta tobera, el motor auxiliar, siendo una turbina de gas equipada con un generador de gas -constituido a partir de un compresor, de una cámara de combustión y de una turbina montados sobre un árbol impulsor-, está unido, a la salida del compresor de aire, al intercambiador térmico de la tobera de escape de los motores principales y este intercambiador está acoplado, a su salida, aguas arriba de la cámara de combustión del generador de gas del motor auxiliar;
- el motor auxiliar y los motores principales disponen de unidades de mando digital de tipo FADEC (iniciales de “Full Autority Digital Engine Control” en terminología inglesa) que transmiten información relativa a los pares y velocidades de los árboles de transmisión de potencia, centralizándose esta información en una unidad de control de vuelo con el fin de ajustar la transmisión de potencia del motor auxiliar a los motores principales en función del estado de funcionamiento de cada uno de los motores principales con respecto a unos valores de pares y de velocidades de consigna.
Breve descripción de las figuras
Otros aspectos, características y ventajas de la invención se irán poniendo de manifiesto en la descripción no limitativa que sigue, relativa a formas particulares de realización, con referencia a los dibujos que se acompañan, los cuales representan, respectivamente:
en la figura 1, un esquema de arquitectura de transferencia de energía según la invención en el que una aportación de energía de un grupo APU hacia un motor principal de helicóptero se lleva a cabo por intermedio de un acoplamiento eléctrico;
en la figura 2, un esquema de arquitectura según la invención en el que una aportación de energía del grupo APU hacia un motor principal se lleva a cabo por intermedio de un acoplamiento neumático;
en la figura 3, un esquema de arquitectura según la invención en el que una aportación de energía del grupo APU hacia un motor principal se lleva a cabo por intermedio de un acoplamiento mecánico o hidráulico;
en la figura 4, un esquema de arquitectura de acoplamiento APU / motores principales según la invención en el caso de un funcionamiento asimétrico de los motores; y
en la figura 5, un esquema de arquitectura según la invención en el que una aportación de energía de los motores principales hacia el grupo APU se realiza mediante un intercambiador térmico en el escape.
Descripción detallada de formas de realización
En todas las figuras, los elementos idénticos o semejantes, que desempeñan una misma función, están identificados con idénticos o semejantes signos de referencia.
Con referencia a la figura 1, el esquema de arquitectura según la invención está simplificado, no ilustrando más que uno solo de los dos motores principales de un helicóptero, siendo idéntico el otro motor y estando unido simétricamente de manera similar al grupo APU. Los motores principales, tal como el motor principal 1 representado, incluyen un generador de gas 2 determinado mediante un conjunto constituido a partir de un compresor 21 acoplado a una cámara de combustión 22, acoplada a su vez a una turbina 23. El motor incluye asimismo una turbina libre 3 que arrastra un árbol de transmisión de potencia 31. El generador de gas 2 y la turbina libre 3 están dispuestos entre una entrada de aire 4 y una tobera de escape de los gases 5.
En funcionamiento, la cámara 22 es alimentada con combustible por unos inyectores 24, en los que también es aspirado aire comprimido por el compresor 21. La combustión de la mezcla aire-combustible en la cámara 22 suministra gases energéticos de elevada velocidad. Estos gases calientes se expansionan primero en la turbina 23 que arrastra mecánicamente el compresor 21 por intermedio de un árbol AP impulsor 25 y, luego, en la turbina libre 3.
El motor principal 1 transmite potencia mecánica al rotor del helicóptero y a unos equipos o accesorios por intermedio de una caja de reducción de velocidad 6, en particular a un motor eléctrico 61 en el ejemplo ilustrado, que se refiere a la transmisión eléctrica de potencia. El motor 1 transmite asimismo potencia mecánica a otros equipos o accesorios a través de una caja accesoria 7, en particular a un motor eléctrico 71 en el ámbito del ejemplo. Unos árboles 1a y 1b de toma mecánica unen los árboles impulsor 25 y de transmisión 31 a las cajas 6 y 7.
El esquema de arquitectura de la figura 1 ilustra asimismo un grupo APU 8 que incluye, al igual que los motores principales, un generador de gas 81 que comprende un compresor 8a, una cámara de combustión 86 y una turbina 8c. El árbol impulsor 82 del generador de gas 81 del grupo APU 8 está acoplado a un generador eléctrico 83 que transforma la energía mecánica transmitida por el árbol 82 en energía eléctrica. La corriente suministrada a la red de helicóptero 9 mediante el conductor 10 se puede transmitir entonces a los equipos o accesorios eléctricos montados sobre las cajas de reducción 6 y accesoria 7 del motor principal 1. En el ejemplo, se da tensión a los motores eléctricos 61 y/o 71 mediante su unión eléctrica con la red 9 alimentada por el generador 83 por intermedio de una caja selectora 91.
Se refiere otro ejemplo, ilustrado mediante el esquema de la figura 2, a la transmisión neumática de potencia. En este caso, el grupo APU arrastra un compresor de carga 84 que genera un gasto de aire a una presión suficiente para alimentar unos equipos neumáticos. Estos equipos están montados sobre las cajas de reducción 6 y accesoria 7 en unión mecánica con el motor principal 1 por intermedio de los árboles 1a y 1b. En el ejemplo, las turbinas auxiliares 62 y 72 de acondicionamiento de aire montadas sobre las cajas de reducción 6 y accesoria 7 se alimentan mediante el compresor de carga 84 por intermedio de unos conductos de aire 20 y un selector neumático 92, por ejemplo una válvula de tres vías. El aire saliente de las turbinas 62 y 72 participa, por ejemplo, en la ventilación del bastidor motor que reúne los equipos electrónicos del conjunto de la motorización del helicóptero.
En otro ejemplo ilustrado mediante el esquema de la figura 3, se suministra una transmisión de potencia mecánica o hidráulica a través de una caja de transmisión 11 arrastrada por el generador de gas 81 del grupo APU 8. La caja de transmisión 11 está acoplada, por intermedio del árbol impulsor 82 y de los árboles de transmisión 12 acoplados mediante un sistema de piñones P1, un reenvío R1 y un sistema de engranajes liberables 93, a la caja de reducción 6 y/o a la caja accesoria 7. Estas cajas están montadas asimismo sobre los árboles impulsores 25 y 31 del motor principal 1. La energía suministrada por el grupo APU 8 permite arrastrar en particular una bomba o un motor anexo. Ventajosamente, los órganos de conversión de potencia eléctrica 83, neumática 84, hidráulica y/o neumática 11 pueden estar reunidos en una misma caja de transferencia. Un selector gobernado por el FADEC del grupo APU (véase la descripción que sigue con referencia a la figura 4) e integrado en esta caja de transferencia permite acoplar el órgano de conversión que suministra el tipo de energía que interese. El FADEC 13 del grupo APU 8 también gobierna, en conjunción con la unidad de control de vuelo 14 (véase también la descripción que sigue con referencia a la figura 4), las conexiones en modos “y/o” de los sistemas de selección 91, 92 y 93 (figuras 1 a 3) con las cajas 6 y 7, unidas a los árboles 31 y 25 del motor 1 por intermedio de los árboles de toma 1a y 1b, o con los equipos tales como los motores eléctricos 61, 71 y las turbinas 62, 72.
El grupo APU también contribuye a mejorar el rendimiento de los motores principales y, por tanto, a optimizar la densidad de potencia de la motorización embarcada. En realidad, es posible, bien aumentar las potencias disponibles, o bien disminuir las dimensiones y masas de los motores principales a igualdad de potencias
disponibles.
Por otro lado, los motores principales del helicóptero pueden funcionar según dos modos: en funcionamiento nominal, en el que los motores principales suministran la misma potencia, y en funcionamiento asimétrico, en el que uno de los motores suministra significativamente más potencia. Este funcionamiento asimétrico puede producirse cuando uno de los motores falla parcial o totalmente, o, de manera voluntaria, en una fase particular de la misión del helicóptero, por ejemplo en el caso de una búsqueda en un entorno particular.
En el caso de un funcionamiento asimétrico involuntario, la potencia suministrada por el grupo APU puede aplicarse con prioridad al motor que falla parcialmente con el fin de restablecer un equilibrio en la propulsión. En el caso de un funcionamiento asimétrico voluntario, la potencia suministrada por el grupo APU se aplica al motor solicitado con el fin de aliviarlo. En todos los casos de funcionamiento asimétrico, como se ilustra mediante el esquema de la figura 4, el grupo APU 8 y los motores principales 1 y 1' disponen de unidades de mando digital 13, de tipo FADEC, que transmiten información relativa a los pares y velocidades de los árboles impulsores y de transmisión de potencia 25, 25', 31, 31', 82. Esta información se centraliza en la unidad de control de vuelo 14 con el fin de ajustar la transmisión de potencia del grupo APU 8 a los motores principales 1, 1' y a sus equipos por intermedio de los sistemas de selección 91, 92, 93 así como los árboles de toma 1a y 1b, en función del estado de funcionamiento de cada uno de estos motores principales con respecto a unos valores de pares y de velocidades de consigna.
En el caso de una avería total de uno de los motores, el régimen especial OEI (iniciales de “One Engine Inoperative”, es decir, “un motor inoperativo” en terminología inglesa), la potencia del grupo APU se dedica con prioridad a los intentos de rearranque de este motor. En el caso de un funcionamiento asimétrico voluntario, la potencia del grupo APU se dedica con carácter prioritario a aliviar el motor más solicitado.
Con objeto de optimizar el consumo específico del conjunto de la motorización APU / motores principales o, más generalmente, turbina de gas / motores principales, se puede prever asimismo una recuperación de la energía térmica en el escape en combinación con la aportación de energía del grupo APU a los motores principales por intermedio de los árboles de toma 1a y 1b. Como se ilustra mediante el esquema de la figura 5, cada tobera de escape 5 y 5' de los motores principales 1 y 1' integra un intercambiador térmico 15, 15'. Estos intercambiadores recuperan, al menos en parte no despreciable, energía térmica de los gases de escape.
El fluido de recuperación de energía que circula por los intercambiadores 15 y 15' se toma a la salida del compresor 8a del grupo APU 8 y se introduce de nuevo inmediatamente aguas arriba de su cámara de combustión 8b. Unos conductos 80a y 80b se encargan de la circulación del fluido entre los intercambiadores 15, 15' y el generador de gas 81 del grupo APU 8.
En estas condiciones, a prestaciones iguales, se puede disminuir la aportación térmica suministrada por la combustión del combustible en el grupo APU, ya que esta disminución queda compensada por la aportación térmica proveniente de los intercambiadores 15 y 15'. Así, se ve reducida la necesidad de combustible del conjunto de la motorización. Esta disminución de combustible puede mediar ventajosamente durante fases de vuelo estabilizadas, por ejemplo durante las fases de crucero que, en general, son las fases más largas.
Cuando la recuperación de energía térmica es particularmente elevada, es posible cesar la inyección de combustible en la cámara de combustión del grupo APU 8. En este caso, el único foco caliente del grupo APU proviene de los gases de escape de los motores principales 1 y 1' por intermedio de los intercambiadores 15 y 15'. Se maximiza entonces la optimización energética del conjunto de la motorización.
La invención no queda limitada a los ejemplos descritos y representados.
Es posible, por ejemplo, aplicar la invención en los motores principales con turbina ligada acoplando el árbol impulsor del grupo APU o, más generalmente, de un motor auxiliar, a los equipos y accesorios directamente relacionados con los árboles impulsores de los motores principales con turbinas ligadas, o por intermedio de cajas de reducción y/o accesoria. El alcance de la terminología “motor auxiliar” se extiende a los motores de tecnología distinta de la de una turbina de gas (por ejemplo: motor diésel, pila de combustible, etc.).
Claims (10)
1. Procedimiento de transferencia optimizada de energía de un motor auxiliar (8) hacia los motores principales (1, 1') de un helicóptero que comprende unos motores principales establecidos para suministrar energía propulsora y un motor auxiliar establecido para suministrar energía no propulsora, caracterizado por que consiste, en ciertas fases de vuelo, en transmitir la potencia generada por el motor auxiliar (8) a los motores principales (1, 1') mediante conexión del árbol impulsor (82) del motor auxiliar (8) a al menos un árbol impulsor (25, 25') y/o de transmisión de potencia (31, 31') de al menos un motor principal (1, 1') por intermedio de al menos una adaptación de potencia (83, 84, 11).
2. Procedimiento de transferencia de energía según la reivindicación 1, en el que la conexión del árbol impulsor (82) del motor auxiliar (8) con al menos un motor principal (1, 1') se realiza sobre uno de los árboles de este motor principal seleccionado de entre el árbol impulsor de una arquitectura de motor con turbina ligada, el árbol impulsor (25, 25') del generador de gas (81) y/o el árbol de transmisión de potencia (31, 31') de una arquitectura de motor con turbina libre.
3. Procedimiento de transferencia de energía según la reivindicación 1, en el que la aportación de potencia del motor auxiliar (8) se ajusta entre los motores principales (1, 1') para tender hacia un equilibrio de potencia entre estos motores (1, 1') mediante compensación del funcionamiento asimétrico de dichos motores (1, 1') en el caso en que esta asimetría esté provocada involuntariamente por fallo parcial de uno de los motores, y mediante aportación al motor solicitado en caso de asimetría voluntaria en función de las fases de misión del helicóptero.
4. Procedimiento de transferencia de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la aportación de potencia mecánica generada por el motor auxiliar (8) se convierte a una energía seleccionada entre una energía de naturaleza eléctrica, neumática, mecánica y/o hidráulica.
5. Procedimiento de transferencia de energía según la reivindicación 4, en el que, siendo el motor auxiliar una turbina de gas, se realiza un intercambio térmico (15, 15') entre los gases de escape de cada motor principal (1, 1') y el aire a la salida de compresión (8a) del motor auxiliar (8) con el fin de recuperar al menos en parte la energía térmica de los gases de escape y de reinyectar el aire así recalentado aguas arriba de la combustión de los gases (8b) del motor auxiliar (8).
6. Procedimiento de transferencia de energía según la reivindicación anterior, en el que el motor auxiliar (8) funciona a cámara apagada, sin aportación de combustible, cuando los gases de escape de los motores principales aportan al motor auxiliar (8) una energía térmica suficiente para servir de foco caliente.
7. Arquitectura de transferencia optimizada de energía de un motor auxiliar de potencia, establecido para suministrar energía no propulsora, hacia los motores principales de un helicóptero, apta para llevar a la práctica el procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo dicha arquitectura un motor auxiliar (8) y unos motores principales (1, 1'), caracterizado por que los motores principales (1, 1') incluyen un generador de gas (2) en conjunción con cajas de reducción (6) y cajas accesorias (7) de tomas de potencia mecánica, eléctrica y/o hidráulica, y en conjunción con, para el motor auxiliar (8), al menos un órgano de conversión de potencia (83, 84, 11), y por que el órgano de conversión de potencia (83, 84, 11) del motor auxiliar (8) está unido a los equipos y accesorios (61, 71; 62, 72), ya sea directamente, o bien a través de la caja de reducción (6) y/o la caja accesoria (7) de los motores principales (1, 1') por mediación de una caja selectiva (91, 92, 93).
8. Arquitectura de transferencia de energía según la reivindicación anterior, en la que, estando equipados los motores principales (1, 1') con una turbina libre (3) montada sobre un árbol de transmisión de potencia (31, 31'), la caja de reducción (6) está en engrane sobre el árbol de transmisión de potencia (31, 31') de la turbina libre (3).
9. Arquitectura de transferencia de energía según la reivindicación anterior, en la que, estando equipados los motores principales (1, 1') con una tobera de escape de los gases (5, 5') y con un intercambiador térmico de recuperación (15, 15') integrado en esta tobera (5, 5'), el motor auxiliar (8), siendo una turbina de gas equipada con un generador de gas (81) -constituido a partir de un compresor (8a), de una cámara de combustión (8b) y de una turbina (8c) montados sobre un árbol impulsor (82)-, está unido, a la salida del compresor de aire (8a), al intercambiador térmico (15, 15') de la tobera de escape (5, 5') de los motores principales (1, 1') y este intercambiador (15, 15') está acoplado, a su salida, aguas arriba de la cámara de combustión (8b) del generador de gas (81) del motor auxiliar (8).
10. Arquitectura de transferencia de energía según una de las reivindicaciones 7 a 9, en la que el motor auxiliar (8) y los motores principales (1, 1') disponen de unidades de mando digital de tipo FADEC (13, 13') que transmiten información relativa a los pares y velocidades de los árboles impulsor (82) y de transmisión de potencia (31, 31'), centralizándose esta información en una unidad de control de vuelo (14) con el fin de ajustar la transmisión de potencia del motor auxiliar (8) a los motores principales (1, 1') en función del estado de funcionamiento de cada uno de los motores principales (1, 1') con respecto a unos valores de pares y de velocidades de consigna.
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