Estrategia de control para motor de turbina de gases.

Un procedimiento, que comprende:

a) la operación de un motor de turbina de gases (3) de acuerdo con una primera estrategia de control (110);

b) la búsqueda de daños en el motor (3); y

c) si se halla un daño, operar el motor de acuerdo con una segunda estrategia de control (140), en la que lasegunda estrategia de control (140) permite que un parámetro de operación del motor exceda su valor deoperación normal, caracterizado porque la segunda estrategia de control (140) permite que un parámetro deoperación del motor exceda su valor de operación normal en un cuatro por ciento.

Estrategia de control para motor de turbina de gases La presente invención se refiere a sistemas de control para motores de turbina de gases. Se desvelan los sistemas de control conocidos en los documentos US 5622045 y GB 2182723, el primero para la detección y adaptación de daños en el ventilador del motor de turbina de gases y el último para un control de combustible de fallo seguro.

En un motor de turbina de gases usado para propulsar una aeronave, ocurren a veces defectos. Mientras muchos de los defectos son menores, algunos son suficientemente significativos como para reducir el empuje del motor en un amplio grado. Por ejemplo, si el motor absorbe un ave grande, pueden producirse daños que comprometan significativamente la capacidad de generación de empuje por parte del motor. Como otro ejemplo, un misil disparado por un terrorista puede producir un daño similar, o peor. Como tercer ejemplo, durante el despegue, el motor puede absorber desechos dejados en una pista.

En tales casos, el piloto puede seguir al menos dos estrategias. Una es continuar la operación del motor, pero con un nivel de empuje reducido. El segundo es parar el motor. La invención proporciona otra estrategia para la operación de un motor de turbina de gases defectuoso.

En una forma de la invención, un sistema detecta el daño en un motor de turbina de gases, como mediante la detección de una cantidad de empuje menor de la esperada. Cuando se detecta el daño, la invención toma medidas para intercambiar (1) vida útil futura del motor por (2) empuje actual.

Por ejemplo, la invención puede incrementar un límite en la velocidad de un rotor particular, lo que consume vida útil del rotor y otros componentes, pero produce en el presente un empuje más grande. Como otro ejemplo, se puede elevar un límite en la temperatura de entrada de la turbina, lo que de nuevo consume vida útil de los componentes, pero produce en el presente un empuje más grande.

La presente invención proporciona un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 y un aparato de acuerdo con la reivindicación 3.

La invención se describirá a continuación con mayor detalle, a modo de ejemplo, con referencia los dibujos, en los que:

La Figura 1 es un esquema simplificado, del tipo de bloques de un motor de aeronave de turbina de gases con una góndola 2.

La Figura 2 muestra el motor de la Figura 1, pero con un agujero 39 en una carcasa del compresor 42.

La Figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra los procesos llevados a cabo por una forma de la invención.

La Figura 4 ilustra una forma de la invención.

La presente explicación presentará (1) un ejemplo simplificado de una forma de la invención y a continuación (2) una descripción general.

La Figura 1 ilustra un motor de turbina de gases simplificado 3, que es simétrico alrededor de la línea central 4. Un ventilador 6 comprime el aire de admisión 7 y proporciona parte 9 a un compresor de alta presión 12. La otra parte 15 es derivada, y se usa para generar empuje. El compresor de alta presión 12 comprime adicionalmente el aire y lo proporciona a una cámara de combustión 18, a la que se suministra el combustible 21 y se quema, añadiendo energía al aire en la forma de calor.

La mezcla combustible/aire 22 de alta energía se conduce entonces a una turbina de alta presión 24, que extrae energía mecánica de la mezcla y usa la energía para accionar el compresor de alta presión 12, a través del eje 27. El escape 30 de la turbina de alta presión 24 es conducido a una turbina de baja presión 33, que extrae energía mecánica adicional, y usa esa energía para accionar el ventilador 6, a través del eje 36. El escape 35 de la turbina de baja presión 33 se utiliza para producir empuje, en la medida posible.

Supongamos que, como en la Figura 2, tiene lugar un daño en el motor 3, en la forma de un agujero 39 en la carcasa 42 que rodea al compresor de alta presión 12. Este daño puede ser infligido, por ejemplo, en tiempo de guerra por un proyectil que alcance el motor.

Con el agujero 39 presente, se reduce la eficiencia del compresor, debido a la pérdida de aire 41. El aire 9 suministrado a la cámara de combustión 18 se reduce en su flujo de masa y presión. En consecuencia, el empuje del motor 3 se reducirá.

La invención detecta la reducción en la eficiencia del compresor, esto es, realiza una inferencia de que ha ocurrido un daño. A continuación, la invención dará los pasos para compensar esta reducción en la eficiencia.

La invención implementa una estrategia que intercambia (1) la vida útil a largo plazo del motor por (2) un incremento presente temporal en el empuje. Esto es, una reducción en la vida útil futura del motor se intercambia por el empuje actual. Se desarrollarán algunos principios antecedentes que explican cómo es posible esta estrategia.

Brevemente, muchos de los componentes en un motor de turbina de gases funcionan bajo severas condiciones que se desvían ampliamente de las condiciones de reposo estándar, ambientes de temperatura y presión. Las severas condiciones producen un deterioro por desgaste sobre los componentes, dando a los componentes una vida útil ilimitada. La invención opera el motor bajo unas condiciones más severas que las normales, para obtener un empuje incrementado, pero con el coste de reducir las vidas útiles de muchos de los componentes.

Para explicar estos principios con mayor detalle, se señala que algunos componentes operan con un campo de fuerzas centrífugas muy alto. En general, la aceleración centrífuga de un componente rotativo es el (cuadrado de w) x (r) , en la que w es la rotación angular en radianes por segundo, y r es la distancia del cuerpo desde el centro de rotación.

Si el radio del compresor de alta presión 12 en la Figura 1 es de 30, 48 cm (un pie) , y si gira a 10.000 rpm, lo que corresponde a 167 revoluciones por segundo, entonces la aceleración centrífuga es (2 x PI x 167) x (2 x PI x 167) x (1/segundos al cuadrado) x (30, 48 cm) ,

o aproximadamente 3, 4 x 105 m/s2 (1, 1 millones de pies/segundo al cuadrado) . Dividiendo esto por la aceleración de la gravedad, 9, 81 m/s2 (32 pies/segundos al cuadrado) , da una fuerza de corte de aproximadamente 34.000 g.

Así, este compresor 12 opera bajo un campo de g extremadamente alto: un álabe del compresor que normalmente pese 4, 45 newtons (una libra) pesará 151 x 103 newtons (34.000 libras) en operación.

Además, algunos componentes están sometidos a temperaturas muy altas, algunas de las cuales realmente exceden las temperaturas de fusión de los materiales usados. Los componentes sometidos a estas últimas temperaturas deben ser refrigerados activamente, para mantenerlos por debajo de la temperatura de fusión. También, están presentes elevadas presiones, a veces excediendo los 2, 8 MPa (400 libras por pulgada cuadrada) , lo que tensiona los materiales.

Las elevadas fuerzas g, las altas temperaturas, y las altas presiones ilustran tres factores que producen elevadas presiones sobre los materiales en el interior del motor.

No solamente estos tres factores, por sí mismos, generan tensiones elevadas, sino también el hecho de que se aplican de una forma cíclica, genera tensiones y desgastes adicionales. Esto es, cuando el motor está en reposo, estos factores están ausentes. Pero cuando se pone al motor en operación, los tres factores, previamente ausentes, aparecen y aplican tensiones al motor.

La repetida aplicación de tensiones, seguida de la relajación de las tensiones, crea fatiga en los materiales, dando como resultado frecuentemente roturas por fatiga. De hecho, la vida útil utilizable de muchas piezas, al menos un límite superior de su usabilidad, se mide por el número de tales ciclos que ha experimentado la pieza.

Otro factor es la ley de la física que establece que cuando aumenta la temperatura, la resistencia a la tracción de muchos materiales disminuye. Adicionalmente, los componentes hechos de tales materiales pueden experimentar un tipo de deformación conocido como fluencia. De ese modo, si un componente se opera bajo elevada tensión a una temperatura excesivamente alta, ese componente puede quedar deformado permanentemente. Adicionalmente, el deslizamiento no surge necesariamente de modo inmediato, sino a veces después de exposiciones a largo plazo a las tensiones que se acaban de describir.

Estas tensiones, y su naturaleza cíclica, hacen que los diseñadores de los motores de turbina de gases impongan límites estrictos a las condiciones de operación de los motores, para limitar de ese modo la tensión máxima aplicada a los componentes dentro del motor. Por ejemplo, la temperatura del... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento, que comprende:

a) la operación de un motor de turbina de gases (3) de acuerdo con una primera estrategia de control (110) ; b) la búsqueda de daños en el motor (3) ; y

c) si se halla un daño, operar el motor de acuerdo con una segunda estrategia de control (140) , en la que la segunda estrategia de control (140) permite que un parámetro de operación del motor exceda su valor de operación normal, caracterizado porque la segunda estrategia de control (140) permite que un parámetro de operación del motor exceda su valor de operación normal en un cuatro por ciento.

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la segunda estrategia de control (140) cambia la 10 planificación de una variable controlada.

3. Aparato, que comprende:

a) un motor de turbina de gases (3) ; b) medios (335) para la operación de motor de turbina de gases de acuerdo con una primera estrategia de control;

c) medios (330) para i) la búsqueda de un daño en el motor; y ii) si se halla el daño, operar el motor de acuerdo con una segunda estrategia de control, en la que la segunda estrategia de control (140) permite que un parámetro de operación del motor exceda su valor de operación normal, caracterizado porque la segunda estrategia de control (140) permite que un parámetro de operación del motor exceda su valor de operación normal en un cuatro por ciento.

4. Aparato de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la segunda estrategia de control (140) cambia la planificación de una variable controlada.