Anillo y duela de compuestos de matriz cerámica (CMC) de tobera.

Una tobera (10) de escape del motor, que comprende:

un anillo (30) de soporte delantero,

en el que el anillo (30) de soporte delantero incluye un conjunto de fijación para unir al motor; y un segundo anillo de soporte; y

una pluralidad de duelas (20, 120, 222) formadas de un material compuesto de matriz cerámica, soportadas las duelas para mantener la forma de la tobera mediante los anillos de soporte delantero y segundo, en los que un extremo axial de cada una de la pluralidad de duelas (20, 120, 222) está unido al anillo (30) de soporte delantero, conformando la pluralidad de duelas (20, 120, 222) la forma de la tobera (10);

en donde la pluralidad de duelas tienen su ranura correspondiente para recibir el segundo anillo de soporte; y donde

se crea un cierre en la interfaz entre duelas (20, 120, 222) adyacentes mediante la superposición de duelas (20, 120, 222) adyacentes o mediante un cierre unido a una de las duelas (20, 120, 222) que elimina sustancialmente el flujo aerodinámico entre duelas (20, 120, 222) adyacentes.

Anillo y duela de compuestos de matriz cerámica (CMC) de tobera Campo

La presente descripción se refiere a estructuras de cerámica. La descripción tiene una utilidad concreta en relación con las estructuras de cerámica para aplicaciones de alta temperatura como en motores, en concreto en toberas de escapa del motor, y se describirá en relación con dicha utilidad, aunque se contemplan otras utilidades.

Antecedentes

Los recientes avances en la tecnología de los materiales compuestos de matriz cerámica (CMC) están abriendo nuevas aplicaciones. Tradicionalmente, estos materiales han sido muy costosos de producir y han mostrado una relativamente baja resistencia y tenacidad. Los avances recientes han reducido los costes de fabricación y mejorado la resistencia y tenacidad de estos sistemas de materiales. Estas mejoras, junto con la capacidad de los CMCs para funcionar a temperaturas elevadas hace viable la utilización de CMC para su uso en motores de aviones y otras aplicaciones de alta temperatura. Los CMCs ofrecen el potencial para los componentes de menor peso y el uso de temperaturas más altas de funcionamiento que las que pueden alcanzarse con componentes metálicos tradicionales.

Los CMCs y componentes metálicos que conforman un avión pueden estar sometidos a condiciones térmicas extremas, en las que la estructura debe ser capaz de soportar cargas térmicas relativamente altas en una variedad de condiciones. Zonas de los motores, en concreto, pueden estar sometidas a temperaturas superiores a 6° C (13° F). Debido a su relación resistencia-peso y a su resistencia a las tensiones térmicas se ha incrementado la utilización de materiales CMC en las zonas indicadas. La unión de CMCs y componentes metálicos presentan un problema, sin embargo, ya que los CMCs en general tienen un coeficiente de expansión térmica (CTE) mucho menor que los metales. Esto da lugar a tensiones térmicas en las uniones entre los CMCs y los componentes metálicos, que a su vez podrían conducir al fallo del componente CMC.

Un componente que es de especial preocupación es la tobera de escape del motor. Generalmente, las toberas de escape del motor de un avión tienen una sección de salida fija. En el pasado la tobera de escape se hacía de metal, pero en el esfuerzo continuo para perder el exceso de peso y permitir temperaturas de gas más altas, se están investigando ahora toberas de escape del motor utilizando materiales CMC. La implementación de una tobera de CMC se enfrenta a varios retos. Las toberas se hacen generalmente de una sola pieza. Como la temperatura del motor aumenta, la interfase metálica del motor se expande a una velocidad mayor que la tobera de escape de CMC, lo que produce tensiones térmicas que pueden provocar la rotura del componente de CMC. Gradientes de temperatura a través del espesor de pared inducen también altas tensiones en un aro continuo (o anillo) de la estructura (como una tobera de escape) que limitan la capacidad estructural. Finalmente, aunque los CMCs son más resistentes a la fisuración que la cerámica monolítica, son todavía mucho más propensos a los daños que las estructuras metálicas.

El documento FR 2 875 854 describe un mezclador para una tobera de turborreactor de flujo separado, que comprende una cubierta de cierre para conectar dicho mezclador a la carcasa de escape de la tobera, y una estructura lobular que presenta una sucesión de lóbulos interiores y exteriores distribuidos de forma circunferencial alrededor del eje longitudinal del mezclador, estructura lobular hecha de material compuesto de matriz cerámica, y que comprende también un anillo de refuerzo que forma una conexión entre al menos alguno de los lóbulos de dicha estructura.

Sumario

En un primer aspecto de la invención se proporciona una tobera de escape de un motor como se define en la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas. En un segundo aspecto se proporciona un método como se define en la reivindicación 13. De acuerdo con una realización de la presente descripción se proporciona una estructura de tobera combinada CMC/metálica que generalmente comprende una pluralidad de duelas CMC unidas a uno o más anillos de soporte metálicos dispuestos axialmente. Esta estructura se expandirá fácilmente para minimizar las tensiones térmicas debidas a las diferencias en el CTE entre el CMC y los componentes metálicos y debido a gradientes térmicos a través del espesor de pared. La estructura de tobera de la presente descripción se puede reparar fácilmente si está dañada. Como se aplica a una tobera de escape tal como para un motor a reacción, los anillos de soporte proporcionan un camino de carga entre las duelas así como una base para la fijación de la tobera de escape al motor metálico. Las duelas se fijan a los anillos soporte con un pequeño espacio entre las duelas adyacentes para acomodar el movimiento relativo debido a la diferencia en el CTE del CMC y los componentes metálicos o debido a los gradientes térmicos a través de la pared. Se requiere un sello entre las duelas para eliminar sustancialmente el flujo de gas entre duelas. Esto se puede conseguir mediante la superposición de las duelas, mediante la aplicación de un material de sello flexible en la interfaz, o por una combinación de estos métodos. La estructura de la tobera resultante es tanto más viable y menos costoso de fabricar en comparación con una pieza única de tamaño comparable, de estructura CMC.

De acuerdo con otra realización de la presente descripción se proporciona una tobera de escape de un motor que

comprende una pluralidad de duelas formadas de un material compuesto de matriz cerámica. Un extremo de cada una de la pluralidad de duelas está unido al motor, y la pluralidad de duelas están soportadas en forma de una tobera por al menos un anillo de soporte separado del extremo del motor de las duelas. Para duelas muy cortas, un único anillo soporte puede ser suficiente.

La presente descripción también proporciona un método para la canalización de gases de escape de un motor mediante la unión a un escape del motor de una pluralidad de duelas de tobera que tienen un coeficiente de expansión térmica (CTE) sustanclalmente más bajo que el escape del motor, en la forma de un conducto de escape, tales que el conducto de escape tiene una pluralidad de duelas cerámicas que tienen un lado superior e Inferior al lado de tal manera que el labio superior y el labio Inferior superponen la superficie de una duela adyacente, y forma un sello con lo que se elimina sustancialmente el flujo aerodinámico entre duelas adyacentes.

Breve descripción de los dibujos

Las características, funciones y ventajas que se han comentado se pueden alcanzar independientemente en vahas realizaciones de la presente descripción o se pueden combinar en otras realizaciones más detalladas que se pueden ver con referencia a la siguiente descripción y los dibujos en los que números similares representan partes similares, y donde:

La figura 1 es una Ilustración de una tobera de escape de un motor de acuerdo con una primera realización;

La figura 2 es una Ilustración que muestra la tobera de escape del motor de la figura 1 con mayor detalle;

La figura 3 es una Ilustración que muestra una realización alternativa;

La figura 4 es una Ilustración que muestra una duela individual según una realización;

La figura 5 es una Ilustración que muestra una duela individual según una realización alternativa;

La figura 6 es una ilustración que muestra una tobera de escape de motor metálica típica de un motor

montado en un avión; y

La figura 7 es una Ilustración que muestra otra realización de la descripción.

Descripción detallada

En la siguiente descripción, se hace referencia a los dibujos adjuntos, que forman parte de la misma, y en la que se muestran, a modo de Ilustración, vahas realizaciones de la presente descripción. Se entiende que se pueden utilizar otras formas de realización y se pueden hacer cambios sin apartarse del alcance de la presente descripción.

Haciendo referencia a la Figura 1, la tobera 1 de escape del motor comprende generalmente una pluralidad de duelas 2, estando cada duela Individual conectada a dos anillos de soporte, un anillo 3 de soporte delantero y un segundo anillo 4 de soporte, colocado en paralelo. El segundo anillo de soporte se muestra en medio, pero podría

estar colocado en otro lugar, incluyendo el extremo de la popa del conducto. Para duelas más cortas, el segundo

anillo de soporte se puede suprimir. Las duelas están hechas de un material compuesto de matriz cerámica (CMC) reforzado con fibra ya sea laminado, estructura de sándwich o combinación de laminado... [Seguir leyendo]

1.- Una tobera (1) de escape del motor, que comprende:

un anillo (3) de soporte delantero, en el que el anillo (3) de soporte delantero Incluye un conjunto de fijación para unir al motor; y un segundo anillo de soporte; y

una pluralidad de duelas (2, 12, 222) formadas de un material compuesto de matriz cerámica, soportadas las duelas para mantener la forma de la tobera mediante los anillos de soporte delantero y segundo, en los que un extremo axial de cada una de la pluralidad de duelas (2, 12, 222) está unido al anillo (3) de soporte delantero, conformando la pluralidad de duelas (2, 12, 222) la forma de la tobera (1); en donde la pluralidad de duelas tienen su ranura correspondiente para recibir el segundo anillo de soporte; y donde

se crea un cierre en la Interfaz entre duelas (2, 12, 222) adyacentes mediante la superposición de duelas (2, 12, 222) adyacentes o mediante un cierre unido a una de las duelas (2, 12, 222) que elimina sustancialmente el flujo aerodinámico entre duelas (2, 12, 222) adyacentes.

2.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que los anillos (3, 4) de soporte delantero y segundo y las duelas (2, 12, 222) están dispuestos simétricamente alrededor de un eje de la tobera (1) de escape.

3.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que el motor se selecciona del grupo que consta de un motor de avión, un motor de cohete y una turbina.

4.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que cada una de la pluralidad de duelas (2, 12, 222) es sustancialmente Idéntica en tamaño y forma.

- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de duelas (2, 12, 222) son de dos geometrías dispuestas alternativamente alrededor de la circunferencia.

6 - La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que la pluralidad de duelas (2, 12, 222) son de construcción laminado sólido, construcción de sándwich o una combinación de laminado sólido y construcción sándwich.

7.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que el anillo (3) de soporte delantero está formado de un material que tiene un coeficiente de expansión térmica similar al material que conforma el componente del motor al cual está unida la tobera (1).

8.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que cada una de la pluralidad de las duelas (2, 12, 222) está unida al anillo (3, 4, 14) de soporte a través de un conjunto de fijación ranurada circunferencial.

9.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que el segundo anillo (4) de soporte se construye teniendo la sección transversal una forma sustancialmente similar a las letras seleccionadas a partir del grupo que consta de "L", "C", "I", "J", "U" y "Z".

1.- La tobera (1) de escape del motor de la reivindicación 1, en la que cada una de la pluralidad de duelas (2, 12, 222) está unida a uno de los anillos (3, 4, 14) de soporte mediante un conjunto de fijación ranurado que permite a las duelas (2, 12, 222) moverse en una dirección circunferencial y en la cual cada una de la pluralidad de las duelas está unida al segundo anillo (4) de soporte mediante un segundo conjunto de unión fijo.

11.- Un método de canalización de gases de escape del motor desde un motor que comprende:

proporcionar un conducto de escape formado por una pluralidad de duelas (2, 12, 222) de tobera formadas de un material compuesto de matriz cerámica, proporcionar un anillo (3) de soporte delantero, y un segundo anillo (4) de soporte, en el que las duelas se soportan para mantener la forma de una tobera mediante los anillos de soporte delantero y segundo que Incluyen un conjunto de fijación para unir a un motor y fijar un extremo axial de cada una de la pluralidad de duelas al anillo (3) de soporte delantero; en el que la pluralidad de duelas tienen su correspondiente ranura para recibir el segundo anillo de soporte; y donde se crea un cierre en una Interfaz entre duelas (2, 12, 222) adyacentes por una superposición de duelas (2, 12, 222) adyacentes o por un cierre unido a una de las duelas (2, 12, 222) que elimina de forma sustancial el flujo aerodinámico entre duelas (2, 12, 222) adyacentes.