Sistema de propulsión para vehículo aéreo con diseño de hélice contrarrotativa y método para la reducción del ruido.

Un sistema de propulsión para vehículo aéreo, que comprende:

un núcleo motor (10,

130);

un eje de potencia (24);

una hilera de palas exterior (12) accionada por el eje de potencia;

caracterizado por:

una hilera de palas interior (14) accionada en movimiento de contrarrotación con respecto a la hilera de palas exterior por medio de un mecanismo de engranaje concéntrico que transmite la potencia del núcleo motor con el eje; y

un actuador (34) que se acopla con el eje para trasladar la hilera de palas exterior desde una primera posición retraída a una segunda posición extendida.

Sistema de propulsión para vehículo aéreo con diseño de hélice contrarrotativa y método para la reducción del ruido

INFORMACIÓN SOBRE ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Campo

Las realizaciones de la invención se refieren en general al campo de los sistemas de propulsión de aviones, y más en particular a realizaciones de una hélice contrarrotativa con una separación variable entre las hileras de palas.

Antecedentes

El continuo aumento del coste del combustible para reactores de aviación y la promulgación y el crecimiento previsto de normativas fiscales relacionadas con el carbono ha dado lugar a un resurgimiento entusiasta en toda la industria hacia la tecnología de la hélice exterior o hélice abierta (prop-fan u open-fan), debido a que la demanda de viajes sigue en ascenso con una presión constante para que se minimicen los aumentos en los precios de los billetes. Al mismo tiempo, debido al aumento en los viajes, los límites legales de ruido impuestos por la Administración Federal de Aviación de los Estados Unidos (FAA, United States Federal Aviation Adminitration, por sus siglas en inglés) y por las agencias internaciones de certificación de motores y aviones (ICAO) se han vuelto más estrictos. En muchos países, las autoridades de aviación locales han impuesto una combinación de tasas, toques de queda de funcionamiento y cupos límite que tienen por objeto contrarrestar el crecimiento en la exposición al ruido y los costes asociados con la reducción del mismo, incluyendo la insonorización de los hogares. Para su aplicación, muchos aeropuertos han instalado micrófonos en vecindarios sensibles al ruido que a día de hoy obligan a los operadores a sacrificar carga útil y o autonomía para evitar violar estas políticas locales sobre ruido. Además, se prevé que se podrían imponer costes locales relativos a la calidad del aire u otros costes ambientales relacionados con el carbono.

Además, la evolución en la demanda de servicios directos entre puntos fijos de mayor alcance que superen los tradicionales mercados de aviones de fuselaje estrecho y la flexibilidad en la operación hacen que los diseñadores hagan más hincapié en la eficiencia en el consumo de combustible que en otras soluciones.

Se puede conseguir una mejora en el consumo de combustible mediante la reducción de la velocidad de crucero; sin embargo, esto puede aumentar el tiempo de vuelo y ser no deseado por los pasajeros, el beneficio neto en combustible puede ser realmente pequeño, se pueden originar problemas de integración en el tráfico aéreo, puede que se reduzca el número de vuelos comerciales en un día determinado, y esta estrategia puede realmente dar lugar a un incremento de otros costes de operación de la aerolínea. Con objeto de alcanzar las velocidades de crucero de los aviones a reacción de hoy en día (~ Mach ,8) se necesitan sistemas de hélices contrarrotativas abiertas (CROF, counter rotating open fans, por sus siglas en inglés), ya que las turbohélices de una sola rotación/etapa están limitadas en la práctica a velocidades de crucero de aproximadamente Mach ,7 debido a su insuficiente empuje específico.

Las hélices contrarrotativas abiertas tienen fuentes de ruido complejas que las turbohélices de una sola rotación no tienen; en concreto el ruido de interacción con la estela de la hélice y el ruido de interacción con el torbellino de la punta de la pala. Estas dos fuentes de ruido pueden dar lugar a un ruido ambiental exterior que afecte a las comunidades próximas al aeropuerto, ruido en la cabina que afecte al confort de los pasajeros y a fatiga acústica estructural en el avión.

Existe una interrelación muy compleja entre estas fuentes de ruido y el rendimiento propulsivo neto en las diferentes estrategias de diseño. El ruido de interacción con la estela, que es indeseable, y el rendimiento propulsivo, que es deseado, tienden a disminuir al hacerse mayor la separación entre las hélices. Sin embargo, el ruido de interacción con el torbellino, que es indeseable, puede realmente aumentar con la separación dependiendo del número de Mach de la corriente libre, los efectos del flujo localizado, el ángulo de ataque y el diámetro de la hilera de la hélice situada aguas abajo debido a la contracción del tubo de corriente después de la primera hilera de palas.

Para los diseñadores es normalmente de mayor prioridad evitar la interacción con el torbellino, aunque los únicos medios en los diseños actuales para llevar a cabo esto es "recortar" o reducir el diámetro del rotor trasero o situado aguas abajo. Sin embargo, esto puede llevar consigo a una penalización en cuanto a rendimiento ya que la eficacia aerodinámica se puede ver comprometida de la misma manera que un ala fija por una pérdida en el ratio envergadura/alargamiento. Una cuestión clave para el diseñador es que la interacción con el torbellino se ve afectada por varios factores. La fuerza del torbellino se ve influenciada fundamentalmente por la carga de la punta de la pala y la trayectoria del torbellino de la punta de la pala se ve muy afectada por el momento de la corriente libre y el ángulo de ataque. A velocidades de crucero menores, el torbellino de la punta de la pala se pliega hacia la parte central del rotor trasero o situado aguas abajo, interaccionando con él y dando origen al ruido de interacción con el torbellino. Debido a esto, los diseñadores de motores CROF de la técnica anterior han optado normalmente por un grado de separación agresivo y un recorte también agresivo (1% o más), de manera que la interacción con el torbellino se evite bajo condiciones límite de operación tales como, por ejemplo, los mayores valores de empuje y

trayectoria ascendente con una contracción máxima de la columna del torbellino. Esto puede dar lugar a un rendimiento reducido del avión en todas las condiciones de operación.

El memorándum técnico de la NASA, documento "Some design philosophy for reducing the communlty noise of advanced counter-rotation propellers" de James H Dittmar, de 1 de agosto de 25, analiza que el ruido se considera que es causado por la interacción de las estelas de la hélice situada aguas arriba y de los torbellinos con la hélice situada agua abajo. Las técnicas de reducción del ruido se dividen en dos categorías: 1) reducir la fuerza de las estelas y los torbellinos y 2) reducir la respuesta de las palas situadas aguas abajo a los mismos. Se señala que el ruido de la Interacción con la estela se reduce mediante el aumento de la separación de las hélices y la disminución del coeficiente de resistencia de las palas. El ruido de interacción con el torbellino se podría eliminar al pasar los torbellinos por encima de las puntas de las palas situadas aguas abajo, y se podría reducir mediante un aumento en la separación o una disminución en la circulación inicial. La respuesta de las palas situadas aguas abajo se podría reducir mediante un aumento en el parámetro de frecuencia reducida o desfasando la respuesta de diferentes secciones para obtener un efecto de cancelación mutua. Se señala que una separación desigual entre pala y pala en las palas situadas aguas abajo podría tener efectos sobre la molestia que genera el ruido de las hélices contrarrotativas.

COMPENDIO

Las realizaciones a modo de ejemplo proporcionan un sistema de propulsión para vehículo aéreo que incorpora un núcleo motor con un eje de potencia para accionar una hilera de palas exterior. El eje de potencia está conectado para la transmisión de potencia con una unidad de transmisión de contrarrotación que acciona una hilera de palas interior en movimiento de contrarrotación con respecto a la hilera de palas exterior. Un actuador se acopla con el eje para su traslación desde una primera posición retraída a una segunda posición extendida.

En una primera realización a modo de ejemplo la unidad de transmisión de contrarrotación porta la hilera de palas interior, extendiéndose y estando soportado el eje de potencia a través de la unidad. Un aspecto de la realización incluye una unidad de control de paso de la hilera de palas interior y una unidad de control de paso de la hilera de

palas exterior.

En una implementación de la realización a modo de ejemplo, la hilera de palas exterior está situada aguas arriba con respecto a la hilera de palas interior en una configuración de tracción y la potencia suministrada por el eje de potencia a la hilera de palas exterior es menor que la potencia suministrada a la hilera de palas interior por la unidad de transmisión de contrarrotación con la hilera de palas exterior en la posición extendida. En una configuración a modo de ejemplo, la relación de la potencia suministrada a la hilera de palas exterior y a la hilera... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de propulsión para vehículo aéreo, que comprende:

un núcleo motor (1, 13); un eje de potencia (24);

una hilera de palas exterior (12) accionada por el eje de potencia; caracterizado por:

una hilera de palas interior (14) accionada en movimiento de contrarrotación con respecto a la hilera de palas exterior por medio de un mecanismo de engranaje concéntrico que transmite la potencia del núcleo motor con el eje; y

un actuador (34) que se acopla con el eje para trasladar la hilera de palas exterior desde una primera posición retraída a una segunda posición extendida.

2. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 1, en el que el mecanismo de engranaje concéntrico comprende:

una unidad de transmisión de contrarrotación (28) que porta la hilera de palas interior (14), extendiéndose y estando soportado dicho eje de potencia (24) a través de dicha unidad de transmisión de contrarrotación.

3. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 2, en el que la unidad de transmisión de contrarrotación (28) comprende una transmisión variable continua para obtener una velocidad de rotación variable diferencial entre las hileras de palas interior (14) y exterior (12), ajustable para la traslación de la hilera de palas exterior;

en el que la unidad de transmisión de contrarrotación se conecta con una unidad de control de paso (26) de la hilera de palas interior (14); y

en el que además la hilera de palas exterior (12) incluye una unidad de control de paso (42).

4. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 3, en el que las unidades de control de paso (26, 42) se secuencian de manera que sólo se cambia el paso de hileras de palas alternas si las hileras de palas tienen números pares de palas.

5. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 3, en el que la hilera de palas exterior está situada aguas arriba con respecto a la hilera de palas interior en una configuración de tracción y la potencia suministrada por el eje de potencia (24) a la hilera de palas exterior es menor que la potencia suministrada a la hilera de palas interior por la unidad de transmisión de contrarrotación (28) con la hilera de palas exterior en la posición extendida.

6. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 5, en el que la relación de la potencia suministrada a la hilera de palas exterior (12) y a la hilera de palas interior (14) es aproximadamente ,8.

7. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 6, en el que la hilera de palas interior (14) tiene un diámetro recortado en menos del 5% de un diámetro de la hilera de palas exterior (12).

8. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 1, en el que la traslación del eje es variable de forma incremental desde la primera posición hasta la segunda posición.

9. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 8, en el que la unidad de transmisión de contrarrotación (28) comprende una transmisión variable continua para obtener una velocidad de rotación variable diferencial entre las hileras de palas interior (14) y exterior (12), ajustable para la traslación de la hilera de palas exterior, e incluye además una unidad de control de paso (26) de la hilera de palas interior, y la hilera de palas exterior incluye una unidad de control de paso (42) y comprende además:

un controlador para el ajuste de la traslación de la hilera de palas exterior, para el control de las unidades de control de paso de las hileras de palas interior y exterior y para el control de la transmisión variable para llevar a cabo un plan de operación predeterminado.

1. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 1, en el que la hilera de palas exterior está situada aguas arriba con respecto a la hilera de palas interior en una configuración de tracción; o

la hilera de palas exterior está situada aguas abajo con respecto a la hilera de palas interior en una configuración de empuje.

11. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 9, en el que las hileras de palas interior (14) y exterior (12) comprenden una hélice carenada.

12. El sistema de propulsión para vehículo aéreo según se define en la reivindicación 1, en el que las hileras de palas interior y exterior se desplazan axialmente desde el núcleo motor (13) y que comprende además un eje de toma de fuerza (132) que se extiende desde el núcleo motor y que interconecta el núcleo motor con las hileras de palas interior y exterior.

13. Un método para la reducción del ruido en una propulsión por hélice contrarrotativa, que comprende:

proporcionar un núcleo motor (1, 13);

accionar una hilera de palas exterior (12) desde el núcleo motor; accionar una hilera de palas interior (14) desde el núcleo motor; caracterizado por:

separar por traslación la hilera de palas exterior (12) de la hilera de palas interior en la operación a baja velocidad;

controlar la distribución de potencia entre la hilera de palas interior y la hilera de palas exterior para obtener una generación de potencia menor en la hilera de palas situada aguas arriba en la posición trasladada.

14. El método de la reivindicación 13, en el que controlar la distribución de potencia incluye alternar el control del paso para los incrementos de potencia transmitida a las hileras de palas (12, 14); y

en el que controlar la distribución de potencia incluye reducir de forma momentánea la sustentación de la hilera de palas en traslación para así minimizar la fuerza requerida para la traslación de la hilera de palas.

15. El método de la reivindicación 13, que comprende además proporcionar una transmisión de contrarrotación (28) para transmitir potencia para el accionamiento de las hileras de palas interior (14) y exterior (12).

16. El método de la reivindicación 13, en el que la traslación de la hilera de palas exterior (12) para la optimización de la separación se controla basándose en los datos del sistema de datos del aire y del sistema de gestión de vuelo.

17. El método de la reivindicación 13, que comprende además disponer la hilera de palas exterior y la hilera de palas Interior en una configuración de tracción con la hilera de palas interior situada aguas abajo y teniendo un diámetro menor que la hilera de palas exterior; o

disponer la hilera de palas exterior y la hilera de palas Interior en una configuración de empuje con la hilera de palas exterior situada aguas abajo y teniendo un diámetro menor que la hilera de palas interior.