Aparato y método para purgar de manera pasiva superficies aerodinámicas micro-perforadas.

Revestimiento (30) poroso y sistema (70) de purgado, en el que el sistema de purgado tiene una cavidad de aspiración interna, en el que el revestimiento

(30) poroso incluye una pluralidad de poros (36) que conectan, de manera fluida, la cavidad (38) de aspiración a una atmósfera externa, caracterizados por que el sistema (70) de purgado comprende:

una toma (72) de aire configurada para capturar un flujo externo de la atmósfera externa; y

un difusor (98) que conecta, de manera fluida, la toma (72) de aire a la cavidad (38) de aspiración y está configurado para canalizar el flujo externo a la cavidad (38) de aspiración para descargar a través de los poros (6), en el que

la toma (72) de aire está configurada para separar los contaminantes del flujo externo capturado por la boca (72) de aire; y

la toma (72) de aire tiene al menos un orificio (88) de drenaje formado en la misma para drenar los contaminantes.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US2010/021331.

Solicitante: THE BOEING COMPANY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 100 NORTH RIVERSIDE PLAZA CHICAGO, IL 60606-2016 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: POWELL,ARTHUR G, VIJGEN,PAUL M.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > AERONAVES; AVIACION; ASTRONAUTICA > AEROPLANOS; HELICOPTEROS (vehículos de colchón... > Perturbación del flujo de aire sobre las superficies... > B64C21/06 (para la succión (B64C 21/08 tiene prioridad))

PDF original: ES-2455541_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Aparato y método para purgar de manera pasiva superficies aerodinámicas micro-perforadas CAMPO La presente descripción se refiere, en general, a sistemas de control de flujo laminar para superficies aerodinámicas y, más particularmente, a un sistema y un método de purgado de un revestimiento poroso de un perfil aerodinámico mediante la descarga de aire a presión a través de los poros formados en el revestimiento poroso.

Se considera que el documento US 5.899.416 representa la técnica anterior más cercana y describe todas las características del preámbulo de la reivindicación 1.

ANTECEDENTES Se conoce, en general, que el mantenimiento de un flujo laminar de aire sobre un perfil aerodinámico puede mejorar la aerodinámica y el rendimiento de una aeronave. Por ejemplo, se conoce que retrasando la transición del flujo de aire en la capa límite desde un flujo laminar a un flujo turbulento sobre las superficies aerodinámicas puede reducir la fricción del revestimiento y puede reducir la resistencia aerodinámica. Un método para retrasar la transición del flujo de aire desde un flujo laminar a un flujo turbulento es mediante la instalación de un revestimiento poroso en las áreas críticas de un perfil aerodinámico, tal como a lo largo de los bordes de ataque de las alas, las superficies de cola y las góndolas de motor. Típicamente, el revestimiento poroso incluye una gran cantidad de aberturas o poros de tamaño relativamente pequeño. El revestimiento poroso puede incluir también ranuras estrechas o poros alargados para proporcionar porosidad. Los poros en el revestimiento poroso de un borde de ataque de un ala pueden ser formados con diámetros del orden de varias decenas de milésimas de pulgada (por ejemplo, 0, 0635 mm (0, 0025 pulgadas) ) o menos y con una separación entre poros contiguos del orden del milímetro (por ejemplo, 0, 889 mm (0, 035 pulgadas) ) .

Mediante la aplicación de una fuerza de aspiración al revestimiento poroso, el flujo de aire en la capa límite que se está unida al perfil aerodinámico (es decir, a lo largo de la línea de unión) pasa a través de los poros para estabilizar la capa límite contra pequeñas perturbaciones que pueden aumentar y, en última instancia, pueden conducir a una turbulencia de transición temprana. La aplicación de la fuerza de aspiración adelgaza y robustece los perfiles de velocidad en la capa límite. El resultado neto es un retraso en la transición en la capa límite, una disminución en la resistencia debida a la fricción del revestimiento y un aumento en la eficiencia aerodinámica de la aeronave. El aumento de la eficiencia aerodinámica puede ser especialmente notable a altitudes de crucero para vuelos de larga distancia en los que puede conseguirse un importante ahorro de combustible como resultado de una menor resistencia aerodinámica.

Uno de los desafíos que impiden la implementación generalizada de los sistemas de control de flujo laminar del tipo de aspiración es la contaminación o el bloqueo de los poros, que pueden producirse bajo ciertas condiciones. Dicha contaminación puede incluir contaminación atmosférica y/o contaminación artificial que pueden reducir la eficacia de los sistemas de control de flujo laminar. Por ejemplo, durante el despegue y el ascenso inicial de una aeronave equipada con revestimientos porosos, las precipitaciones en forma de lluvia o humedad en nubes de baja altura pueden llenar los poros con agua que más tarde se congelará conforme el avión suba a un aire más frío. La humedad congelada bloquea los poros y reduce la eficacia del sistema de aspiración en el mantenimiento del flujo laminar sobre la aeronave durante el vuelo. La contaminación artificial, tal como fluidos de deshielo aplicados durante las operaciones en tierra, puede reducir también la eficacia del sistema de control de flujo laminar obstruyendo los poros con líquido de deshielo.

La acumulación de escarcha sobre una aeronave puede reducir también la eficacia de un sistema de aspiración al bloquear los poros. Aunque eventualmente las acumulaciones de escarcha sobre las superficies del revestimiento exterior del revestimiento poroso pueden sublimarse, la humedad o el líquido en las superficies del revestimiento interior del revestimiento poroso pueden quedar atrapados en los poros y permanecerán en los mismos como resultado de la relativamente pequeña cantidad de área superficial sobre la que se produce la sublimación. Además, las velocidades de flujo local en el interior de los poros son relativamente bajas y, por tanto, insuficientes para superar la resistencia debida a la tensión superficial de la humedad atrapada en el interior de los poros.

Los intentos de la técnica anterior de prevenir la obstrucción de los poros incluyen sistemas de purgado activos en los que se expulsa o se descarga aire a presión hacia el exterior a través de los poros. Los sistemas de purgado pueden ser activados antes del despegue en previsión de lluvia o nubes cargadas de humedad que pueden encontrarse durante el ascenso inicial. De esta manera, dichos sistemas de purgado mantienen los poros en un estado desbloqueado y previenen la congelación de líquido residual que pueda estar atrapado en el interior de los

poros. Aunque son eficaces para sus fines previstos, los sistemas de purgado de la técnica anterior adolecen de diversos defectos que restan valor a su utilidad general.

Por ejemplo, todos los sistemas de purgado conocidos para su uso con sistemas de control de flujo laminar del tipo aspiración son sistemas de purgado activos. Los sistemas de purgado activos requieren una entrada adicional de energía en forma de aire comprimido de motor o maquinaria de bombeo para proporcionar el aire a presión para su descarga a través de los poros del sistema de control de flujo laminar. El aire a presión puede ser extraído desde los compresores de los motores u otro tipo de turbo-maquinaria. Por ejemplo, el aire a presión para el sistema de purgado puede ser proporcionado tomando una parte del flujo de derivación de un motor con turboventilador de alta derivación.

Tal como puede apreciarse, la arquitectura de sistema de un sistema de purgado activo, tal como uno que extrae el aire a presión desde un motor de avión, puede ser funcional y estructuralmente compleja. Dichos sistemas de purgado activos requieren la instalación de componentes y maquinaria que pueden aumentar la complejidad y pueden aumentar los costos operativos y de fabricación. Además, los componentes de un sistema de purgado activo pueden resultar en un aumento del peso de la aeronave, que puede restar valor a las ganancias en la eficiencia del combustible obtenibles sino con el sistema de control de flujo laminar.

Además, algunas aeronaves, tales como los aviones comerciales, se fabrican cada vez más sin una extracción significativa de aire comprimido desde el motor. Aunque la extracción de aire comprimido ha sido usada convencionalmente para diversos sistemas de las aeronaves, tales como para la presurización de la cabina y el deshielo durante el vuelo, muchas aeronaves modernas están sustituyendo ahora las energía eléctrica por energía neumática generada por motores convencionales (es decir, aire comprimido) con el fin de limitar la cantidad de energía neumática que es extraída desde los motores, de manera que los motores puedan producir un empuje máximo. Así, el aire comprimido desde los motores convencionales puede no estar disponible para suministrar energía a un sistema de purgado activo en las aeronaves futuras.

Tal como puede verse, existe una necesidad en la técnica de un sistema de purgado para su uso con un sistema de control de flujo laminar que evite la complejidad y el peso asociados con los sistemas de purgado activos. Además, existe una necesidad... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Revestimiento (30) poroso y sistema (70) de purgado, en el que el sistema de purgado tiene una cavidad de aspiración interna, en el que el revestimiento (30) poroso incluye una pluralidad de poros (36) que conectan, de manera fluida, la cavidad (38) de aspiración a una atmósfera externa, caracterizados por que el sistema (70) de purgado comprende:

una toma (72) de aire configurada para capturar un flujo externo de la atmósfera externa; y un difusor (98) que conecta, de manera fluida, la toma (72) de aire a la cavidad (38) de aspiración y está 10 configurado para canalizar el flujo externo a la cavidad (38) de aspiración para descargar a través de los poros (6) , en el que la toma (72) de aire está configurada para separar los contaminantes del flujo externo capturado por la boca (72) de aire; y 15 la toma (72) de aire tiene al menos un orificio (88) de drenaje formado en la misma para drenar los contaminantes.

2. El sistema (70) de purgado según la reivindicación 1, en el que:

el revestimiento (30) poroso define un borde (24) de ataque de un perfil (22) aerodinámico.

3. Sistema (70) de purgado según la reivindicación 2 que comprende además un fuselaje (12) que está acoplado al perfil (22) aerodinámico.

4. Sistema (70) de purgado según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que:

la toma (72) de aire incluye una puerta (112) que es móvil, de manera pivotante, entre las posiciones abierta y cerrada y define una abertura cuando la puerta (112) está en la posición abierta.

5. Sistema (70) de purgado según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que:

la toma (72) de aire está configurada para ser posicionada en una relación sustancialmente enrasada con una superficie externa cuando la toma (72) de aire está en la posición cerrada.

6. Sistema (70) de purgado según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que:

el revestimiento (30) poroso define superficies de revestimiento interior (32) y exterior (34) opuestas; la toma (72) de aire tiene una abertura para capturar el flujo externo; al menos una parte de los poros (36) son de un tamaño que hace que los poros (36) retengan líquido como

resultado de la tensión superficial; la superficie del revestimiento interior tiene una presión de cavidad proporcional a la presión de flujo externo en la abertura; la superficie del revestimiento exterior tiene una presión estática local que está relacionada con una velocidad local del flujo externo sobre el revestimiento (30) poroso; y

los poros (36) están dimensionados y configurados de manera que una diferencia de presión entre la presión de la cavidad y la presión estática local es suficiente para superar la resistencia debida a la tensión superficial para hacer que el líquido en los poros (36) sea descargado a la atmósfera externa.

7. Sistema (70) de purgado según la reivindicación 1, en el que:

la toma (72) de aire comprende un conjunto (110) de puerta, que incluye:

una primera puerta (112) ; y una segunda puerta (114) montada, de manera pivotante, a la primera puerta; 55 en el que:

cada una de entre las puertas primera y segunda es pivotable entre las posiciones abierta y cerrada y define una abertura cuando es movida a la posición abierta;

las aberturas de las puertas primera y segunda están orientadas en direcciones opuestas; la abertura de la primera puerta está configurada para capturar el flujo externo para canalizarlo a través del difusor (98) hacia la cavidad (38) de aspiración para descargarlo a través de los poros (36) a la atmósfera externa; la segunda puerta está configurada para arrastrar el flujo externo a través de los poros (36) y al interior de la cavidad (38) de aspiración para canalizarlo a través del difusor (98) para descargarlo a través de la abertura de la segunda puerta a la atmósfera externa.

8. Método para purgar un sistema de control de flujo laminar que tiene un revestimiento (30) poroso y una cavidad

(38) de aspiración conectada, de manera fluida, a una atmósfera externa a través de una pluralidad de poros (36) formados en el revestimiento (30) poroso, en el que el método comprende las etapas de:

desplegar una toma (72) de aire en un flujo externo de la atmósfera externa; canalizar el flujo externo desde la toma (72) de aire al interior de la cavidad de aspiración, y purgar los poros (36) descargando el flujo canalizado a través de los poros (36) , en el que: la toma (72) de aire está configurada para separar los contaminantes desde el flujo externo capturado por la toma (72) de aire; y la toma (72) de aire tiene al menos un orificio (88) de drenaje formado en la misma para drenar los contaminantes.

9. Método según la reivindicación 8, en el que el revestimiento (30) poroso define superficies de revestimiento interior (32) y exterior (34) opuestas, en el que la toma (72) de aire que tiene una abertura para capturar el flujo externo, en el que la superficie del revestimiento interior tiene una presión de cavidad proporcional a la presión de flujo externo en la abertura, en el que la superficie del revestimiento exterior tiene una presión estática local relacionada con una velocidad local del flujo externo sobre el revestimiento (30) poroso, en el que el método comprende además la etapa de:

configurar al menos uno de entre la toma (72) de aire y los poros (36) de manera que la presión de la cavidad sea suficiente para superar la presión estática local.

10. Método según la reivindicación 9, en el que al menos una parte de los poros (36) son de un tamaño que causa la retención de líquido como resultado de la tensión superficial, en el que el método comprende además la etapa de:

configurar al menos uno de entre la toma (72) de aire y los poros (36) de manera que una diferencia de presión entre la presión de la cavidad y la presión estática local es suficiente para superar la resistencia 35 debida a la tensión superficial para causar que el líquido en los poros (36) sea descargado a la atmósfera externa.

11. Método según la reivindicación 10, en el que la etapa de configurar los poros (36) comprende:

formar los poros (36) en un tamaño tal que la diferencia de presión sea suficiente para superar la resistencia debida a la tensión superficial.

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8-11 que comprende además la etapa de:

reducir una velocidad del flujo externo durante la canalización del mismo desde la toma (72) de aire a la cavidad de aspiración.

13. Método según la reivindicación 12, en el que la etapa de reducir la velocidad del flujo externo durante su canalización comprende:

expandir el área de la sección transversal a lo largo de la cual es canalizado el flujo externo desde la toma (72) de aire a la cavidad de aspiración.