ES2247494T3 - Aparato de generacion de empuje en turbina de gas. - Google Patents
Aparato de generacion de empuje en turbina de gas.Info
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Abstract
Un sistema (12) de detonación de impulsos para un motor (10) de turbina de gas que incluye un motor de núcleo (30), estando el citado sistema de detonación de impulsos aguas abajo respecto del motor de núcleo y configurado para crear una elevación de temperatura y una elevación de presión en el interior del motor de turbina de gas y para incrementar el empuje del motor, que se caracteriza porque el citado sistema de detonación de impulsos comprende un aumentador (60) de detonación de impulsos multietapas que comprende un predetonador (48) operativo con al menos una primera etapa de operación en la que se proporciona al citado predetonador una mezcla de combustible - aire que es menor que la estequiométrica.
Description
Aparato de generación de empuje en turbina de
gas.
Esta invención se refiere a motores de turbina de
gas y, más en particular, a un sistema de detonación de impulsos
para un motor de turbina de gas.
Se pueden usar motores estatorreactores de
turboventilador de ciclo variable para proporcionar velocidades de
vuelo a aeronaves comprendidas entre números Mach subsónicos bajos a
números Mach supersónicos elevados, aproximadamente de Mach 6. Los
motores conocidos, como se describe, en la patente norteamericana
número 5.694.768 incluyen un sistema de motor de núcleo y un
aumentador de modo dual. El aumentador de modo dual proporciona
calor adicional al flujo de aire de escape que sale del sistema de
motor de núcleo para incrementar el empuje del motor. El sistema de
motor de núcleo proporciona potencia para accionar un conjunto
ventilador y, típicamente, incluye en una relación en serie de
flujo axial, un compresor, una cámara de combustión, una turbina de
alta presión y una turbina de baja presión. Se sitúa el aumentador
de modo dual aguas abajo del motor de núcleo y recibe aire del
motor de núcleo y de un conducto de derivación que rodea al motor de
núcleo. Sin embargo, los aumentadores están limitados a un
determinado nivel de incremento de empuje por la estoiquiometría y,
como resultado, para que un motor funcione eficientemente en un
amplio intervalo de velocidades de vuelo operativo, se pueden
requerir varios sistemas de combustión diferentes.
Para facilitar la optimización de la producción
de empuje, al menos algunos motores conocidos incluyen sistemas de
detonación de impulsos, por ejemplo, el documento U.S. 2002 0166
318, que reemplaza un aumentador convencional en un motor
turboventilador o turborreactor y que incluye un proceso de
deflagración y un proceso de detonación. Se implanta el proceso de
deflagración utilizando una pluralidad de válvulas mecánicas. Sin
embargo, el rendimiento está limitado debido a las diferencias
inherentes que pueden existir como consecuencia de que el proceso de
deflagración consume energía sin producir el beneficio de
detonación, lo cual se produce únicamente en el resto de cualquier
combustible no consumido. Además, cualesquiera beneficios ganados
por la utilización de tales sistemas de detonación de impulsos
pueden ser contrarrestados por un peso total del sistema.
En un aspecto de la invención, se proporciona un
motor de turbina de gas que utiliza un sistema de detonación de
impulsos para generar empuje. El motor incluye una porción de
entrada y una porción de escape, y el sistema de detonación de
impulsos incluye un aumentador de detonación de impulsos que
incluye un predetonador multietapas que suministra una mezcla de
combustible/aire, que es menor que la estequiométrica al sistema de
detonación de impulsos durante una primera etapa de operación,
detonando la mezcla de combustible/aire en el interior del
predetonador para incrementar la temperatura y la presión en el
interior del motor y generar empuje de motor y suministrar
combustible/aire adicionales al predetonador durante una segunda
etapa de operación.
En otro aspecto de la invención, se proporciona
un sistema de detonación de impulsos para un motor de turbina de
gas, incluyendo un motor de núcleo. El sistema de detonación de
impulsos se encuentra dispuesto aguas abajo del motor de núcleo y
está configurado para crear una elevación de temperatura y una
elevación de presión en el interior del motor de turbina de gas y
para incrementar el empuje del motor. El sistema de detonación de
impulsos incluye un aumentador de detonación de impulsos que incluye
un predetonador multietapas que es operativo con, al menos, una
primera etapa de operación en la cual se le proporciona al
predetonador una mezcla de combustible-aire que es
menor que la estequiométrica.
En todavía un aspecto adicional, se proporciona
un motor de turbina de gas. El motor incluye una porción de
entrada, una porción de escape que está situada coaxialmente con la
porción de entrada y un sistema de detonación de impulsos que está
situado entre las porciones de entrada y escape. El sistema de
detonación de impulsos incluye un aumentador de detonación de
impulsos que incluye un predetonador multietapas que es operativo
con al menos una primera etapa de operación en la que se
proporciona una mezcla de combustible-aire menor
que la estequiométrica al predetonador.
A continuación, se describirá la invención con
mayor detalle, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos
los cuales:
la figura 1 es una vista lateral en sección
transversal de un motor de turbina, que incluye un sistema de
detonación de impulsos;
la figura 2 es una vista parcial en sección
transversal de una porción del sistema de detonación de impulsos
que se muestra en la figura 1 y visualizado por la línea
2-2;
la figura 3 es una vista lateral en sección
transversal de un motor de turbina, que incluye una realización
alternativa de un sistema de detonación de impulsos.
La figura 1 es una vista lateral en sección
transversal de un motor de turbina de gas 10 que incluye un sistema
12 de detonación de impulsos. La figura 2 es una vista en sección
transversal de una porción del sistema 12 de detonación de impulsos
tomada por las líneas 2-2 que se muestran en la
figura 1. En una realización, el motor 10 es un motor F110/129
disponible en General Electric Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio,
USA. El motor 10 tiene un eje o línea de centros 14 que se extiende
en general longitudinalmente que se extiende en una dirección hacia
delante 16 y en una dirección hacia atrás 18. El motor 10 incluye
un motor de núcleo 30 que incluye un compresor de alta presión 34,
un combustor 36, una turbina de alta presión 38 y una turbina de
potencia o una turbina de baja presión 39, todos ellos dispuestos
en una relación en serie de flujo axial. El motor 10 incluye
también un conducto de derivación 44 que rodea el motor de núcleo
30 y permite dirigir el flujo de fluido aguas abajo respecto al
motor de núcleo 30 en vez de atravesar el motor de núcleo 30. En una
realización alternativa, el motor 10 incluye un conjunto de
ventilador de núcleo (no mostrado). Un cuerpo central anular 50 se
extiende aguas abajo desde el motor de núcleo 30.
Se sitúa el sistema 12 de detonación de impulsos
aguas abajo respecto del motor de núcleo 30, de manera que al menos
una porción del sistema 12 de detonación de impulsos reciba gases
de combustión del motor de núcleo descargados del motor de núcleo
30, en una entrada 40 de una cámara de predetonación. Se sitúa el
sistema 12 de detonación de impulsos aguas arriba respecto de una
boquilla de escape 54 de geometría variable, de manera que el
sistema 12 de detonación de impulsos produzca un aumento de
temperatura y un aumento de presión en el interior del motor 10 sin
el uso de turbomaquinaria incluida en el motor de núcleo 30, para
generar empuje del motor 10. El sistema 12 de detonación de impulsos
incluye un aumentador 60 de detonación de impulsos que incluye una
cámara de predetonación, un iniciador 62 de detonación y una cámara
de combustión anular
64.
64.
En la realización ejemplar, la cámara 64 incluye
un mezclador 70 acanalado o de tipo margarita que se extiende
circunferencialmente alrededor del cuerpo central 50 y se encuentra
radialmente hacia fuera del cuerpo central 50. Se fabrica el
mezclador 70 con un bastidor atirantado 72 que divide el mezclador
70 en una pluralidad de canales 74 que se extienden axialmente a
través del mezclador 70. Más específicamente, los canales 74
incluyen una pluralidad de canales calientes 76 y una pluralidad de
canales fríos 78. Se disponen los canales 74 en una secuencia
circunferencialmente alternante de manera que cada conducto caliente
76 esté situado entra una pareja de canales fríos 78
circunferencialmente adyacentes. Los canales calientes 76 tienen un
tamaño similar al de los canales fríos 78, pero están situados en
comunicación de fluido únicamente con el motor de núcleo 10,
mientras que los canales fríos 78 están situados en comunicación de
fluido con el conducto de derivación 44. En la realización
ejemplar, el mezclador 70 incluye ocho canales calientes 76 y ocho
canales fríos 78.
Más específicamente, la cámara 64 se extiende
entre un lado radialmente interior 80 y un lado radialmente
exterior 82. Se acopla una pantalla protectora de calor 84 al lado
interior 80 de la cámara para facilitar la protección de la cámara
64 contra las altas temperaturas generadas en el interior del
sistema de predetonación y del sistema de detonación inicial 62.
Más específicamente, se define el detonador inicial 62 radialmente
hacia dentro desde la pantalla protectora de calor 84 y aguas abajo
del resonador 86. Se acopla el resonador 86 al cuerpo central 50 por
medio de un miembro de soporte 88 que se extiende sustancialmente
axialmente aguas abajo respecto del cuerpo central 50.
Un revestimiento anular 90 se extiende
circunferencialmente alrededor del miembro de soporte 88 de
resonador y de una porción 86 del resonador. Como consecuencia, el
revestimiento 90 se extiende axialmente entre el cuerpo central 50
y un lado de resonador 86 situado aguas arriba para facilitar la
protección del miembro de soporte 88 y de una porción 86 del
resonador contra las altas temperaturas que pueden estar presentes
en el interior del aumentador 60.
En funcionamiento, el flujo de aire entra en el
motor 10 y se introduce combustible en el motor de núcleo 30. Se
mezclan y se encienden el aire y el combustible en el interior del
motor de núcleo 30 para generar gases calientes de combustión.
Específicamente, se mezcla aire a presión del compresor de alta
presión 34 con el combustible en el combustor 36 y se enciende,
generando de esta manera, gases de combustión. Tales gases de
combustión accionan la turbina de alta presión 38 que acciona el
compresor de alta presión 34. Se descargan los gases de combustión
desde la turbina de alta presión 38 a la turbina de baja presión 39.
Se descarga el flujo de aire del núcleo de la turbina de baja
presión 39 y se le dirige hacia el sistema 12 de detonación de
impulsos.
Se canaliza el flujo de aire del núcleo al
sistema 12 de detonación de impulsos y se introduce combustible
adicional en el sistema de predetonación 48 de subcomponentes, de
manera que se aumente la mezcla local de
combustible-aire, menor que la estequiométrica,
hasta alcanzar una mezcla de combustible-aire mayor
que la estequiométrica. Para los propósitos de esta aplicación, la
combustión estequiométrica se produce cuando se consume
sustancialmente todo el oxigeno en de la reacción. Más
específicamente, en la realización ejemplar, durante la primera
etapa del funcionamiento del aumentador, se conduce el combustible
al predetonador para aumentar la mezcla local de
combustible-aire hasta que sea aproximadamente dos
veces mayor que la mezcla estequiométrica de
combustible-aire. A continuación se diluye la mezcla
rica en combustible hasta que sea una estoquiometría favorable para
la detonación y a continuación, se detona de manera que se inicie
una onda/frente de llamas de detonación 100 por medio del detonador
inicial 62 dentro de un área de garganta 102 definida por la
pantalla protectora de calor 84. El empuje de primera etapa
comprende la etapa de deflagración antes de la detonación y hasta
el inicio de la detonación.
Durante una segunda etapa de funcionamiento del
aumentador, se suministra combustible adicional al sistema 12 de
detonación de impulsos para la transición de operación en seco a
la modulación de la operación de recalentamiento. Específicamente,
se suministra combustible al mezclador 70 de manera que el
combustible se mezcle con el flujo de aire del motor de núcleo
conducido a través de los canales calientes 76 y también con el
flujo de aire de derivación canalizado a través de los canales fríos
78. Se descarga la mezcla de combustible-aire de
los canales 74 aguas abajo del detonador inicial 62. La expansión
de la onda de detonación 100 presuriza la mezcla de
combustible-aire, descargándose del mezclador 70 a
un régimen de detonaciones, de manera que se vuelva a producir el
proceso de combustión y los gases de escape y la mezcla de
combustible-aire vuelvan a encenderse, de forma que
se originen una serie de ondas de presión 110. Más específicamente,
las ondas 110 se propagan hacia atrás a velocidades supersónicas y
comprimen los gases calientes de combustión para producir empuje
cuando las ondas de presión 110 salen del sistema 12 de detonación.
Como consecuencia, el mezclador 10 facilita la combustión de un
volumen sustancialmente constante en el interior del aumentador 60
de detonación de impulsos, de manera que se genere empuje modulado
con el sistema 12 de detonación de impulsos. Como consecuencia, se
facilita la modulación de recalentamiento por medio de las
secuencias y etapas del sistema 12 de detonación de impulsos, de
manera que se produzca un empuje incrementado del motor 10, a la
vez que se facilita la minimización del consumo de combustible de
deflagración.
La figura 3 es una vista lateral en sección
transversal del motor 10 de turbina que incluye una realización
alternativa de un sistema de detonación de impulsos 200. El sistema
de detonación de impulsos 200 es sustancialmente similar al sistema
12 de detonación de impulsos (mostrado en las Figuras 1 y 2) y se
identifican en la figura 3 los componentes del sistema de detonación
200 que son idénticos a los componentes del sistema 12 de
detonación de impulsos, con los mismos números de referencia
utilizados en las Figuras 1 y 2. Como consecuencia, el sistema de
detonación de impulsos 200 incluye un aumentador de detonación de
impulsos multietapa 202 que incluye el detonador inicial 62 y una
cámara de combustión anular 204. La cámara anular 204 es
sustancialmente similar a la cámara 64 (mostrada en la figura 1), e
incluye el mezclador 70 (mostrado en la figura 2), el bastidor
atirantado 72 (mostrado en la figura 2), y los canales 74
(mostrados en la figura 2).
La cámara 204 se extiende circunferencialmente
alrededor del cuerpo central 50 y se encuentra radialmente hacia
fuera del cuerpo central 50. Un pasaje 210 de combustible se
extiende circunferencialmente alrededor de la cámara 204, de manera
que se sitúe la cámara 204 radialmente hacia dentro desde el pasaje
210. El pasaje 210 se extiende aguas debajo respecto de la cámara
204. Más específicamente, el pasaje 210 está en comunicación de
fluido con el conducto de derivación 44 y se extiende
circunferencialmente alrededor del cuerpo central 50, de manera que
el pasaje 210 se encuentre radialmente hacia fuera desde el cuerpo
central 50. Una pluralidad de inyectores 220 de combustible
atomizado está en comunicación de fluido con el pasaje 210 para
inyectar combustible atomizado en el pasaje 210, como se describe a
continuación en más detalle.
Durante la operación, el flujo de aire entra en
el motor 10 y se introduce combustible en el motor de núcleo 30. Se
mezclan el aire y el combustible y se encienden en el interior del
motor de núcleo 30 para generar gases calientes de combustión.
Específicamente, se mezcla aire presurizado del compresor de alta
presión 34 con combustible en el combustor 36 y se enciende,
generando de esta manera, gases de combustión. Tales gases de
combustión accionan una turbina de alta presión 38 que acciona el
compresor de alta presión 34. Se descargan los gases de combustión
de la turbina de alta presión 38 a la turbina de baja presión 39.
Se descarga el flujo de aire de núcleo de la turbina de baja presión
39 y se le dirige hacia el sistema 12 de detonación de
impulsos.
Se canaliza el flujo de aire de núcleo al sistema
de detonación de impulsos 200 y se introduce combustible adicional
en el sistema de detonación de impulsos 200 de manera que se
aumente la mezcla de combustible-aire que es menor
que la estequiométrica, hasta alcanzar una mezcla de
combustible-aire que sea mayor que la
estequiométrica. Para los propósitos de esta aplicación, la
combustión estequiométrica se produce cuando se consume
sustancialmente todo el oxigeno de la reacción. Más
específicamente, en la realización ejemplar, durante la primera
etapa de la operación del aumentador, se canaliza el combustible al
sistema de detonación de impulsos 200 para aumentar la mezcla de
combustible-aire hasta que sea aproximadamente el
doble de la de la mezcla de combustible-aire
estequiométrica. A continuación, se detona la mezcla rica en
combustible de manera que se inicie la detonación onda/frente de
llamas 100 por medio del detonador 52 dentro del área de garganta
102.
Durante una segunda etapa de la operación del
aumentador, se suministra combustible al sistema de detonación de
impulsos 200 para iniciar una transición desde la operación en seco
a la modulación de la operación de recalentamiento.
Específicamente, se suministra combustible al mezclador 70 de manera
que el combustible se mezcle con el flujo de aire del motor de
núcleo canalizado a través de los canales calientes 70 y también
con el flujo de aire de derivación canalizado a través de los
canales fríos 78. Se descarga la mezcla de
combustible-aire de los canales 74 aguas abajo del
detonador inicial 62. La expansión de la onda de detonación 100
presuriza la mezcla de combustible-aire que está
siendo descargada desde 70 a un régimen de detonación, de manera que
se vuelve a producir el proceso de combustión, y se encienden de
nuevo los gases de escape y la mezcla de
combustible-aire, de forma que se cree una serie de
ondas de presión 110. Más específicamente, las ondas 110 se propagan
hacia atrás a velocidades supersónicas y comprimen los gases
calientes de combustión para producir empuje cuando las ondas de
presión 110 salen del sistema 12 de detonación de impulsos.
Durante una etapa posterior de la operación del
aumentador, se abre la boquilla de escape 54 de geometría variable
y se suministra combustible adicional al pasaje 210 a través de los
inyectores 220 de combustible. La apertura de la boquilla 54
facilita la transferencia a una garganta sónica desde una garganta
definida dentro de la boquilla 54 aguas arriba del pasaje adyacente
210. Se mezcla el combustible con el flujo de fluido descargado del
conducto de derivación 44 y se descarga la mezcla de
combustible-aire del pasaje 210 aguas abajo de la
cámara 204. La expansión de las ondas de presión 110 presuriza la
mezcla de combustible-aire que está siendo
descargada del pasaje 210 en un régimen de detonaciones, de manera
que el proceso de combustión se vuelve producir, y se vuelven a
encender los gases de escape y la mezcla de
combustible-aire, creando una serie de ondas de
presión 230. Más específicamente, las ondas 110 se propagan hacia
atrás para producir empuje modulado del motor 10. Alternativamente,
se utiliza una serie de etapas adicionales en la operación del
aumentador para producir empuje modulado adicional del motor
10.
El sistema de detonación de impulsos descrito más
arriba incluye al menos un aumentador de detonación de impulsos que
produce empuje adicional de motor sin la utilización de
turbomaquinaria. Más específicamente, el aumentador de detonación
de impulsos es multietapas, de manera que se consigue la modulación
de recalentamiento con la proporción de secuencias y etapas en el
aumentador de detonación de impulsos. Como resultado, los motores
que utilizan el sistema de detonación de impulsos obtienen un
empuje incrementado y un empuje modulado que permite que un motor
funcione con alta eficiencia y rendimiento incrementado en un
amplio rango de velocidades operativas de vuelo.
Se han descrito más arriba en detalle
realizaciones ejemplares de sistemas de detonación de impulsos. Los
sistemas no se limitan a las realizaciones específicas descritas en
la presente memoria, sino que se pueden utilizar componentes de
cada sistema de detonación de impulsos específica con independencia
y separadamente de otros componentes descritos en la presente
memoria. Por ejemplo, también se puede utilizar cada componente de
aumentador de detonación de impulsos en combinación con otros
componentes de aumentador de detonación de impulsos y otras
configuraciones de sistemas de detonación de impulsos.
Claims (10)
1. Un sistema (12) de detonación de impulsos para
un motor (10) de turbina de gas que incluye un motor de núcleo
(30), estando el citado sistema de detonación de impulsos aguas
abajo respecto del motor de núcleo y configurado para crear una
elevación de temperatura y una elevación de presión en el interior
del motor de turbina de gas y para incrementar el empuje del motor,
que se caracteriza porque el citado sistema de detonación de
impulsos comprende un aumentador (60) de detonación de impulsos
multietapas que comprende un predetonador (48) operativo con al
menos una primera etapa de operación en la que se proporciona al
citado predetonador una mezcla de combustible-aire
que es menor que la estequiométri-
ca.
ca.
2. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado aumentador
(60) es operativo adicionalmente con al menos una segunda etapa de
operación durante la cual se proporciona una mezcla estequiométrica
de combustible-aire al citado aumentador.
3. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que el citado aumentador
(60) facilita la producción de empuje modulado del motor (10) de
turbina de gas.
4. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que el motor (10) de turbina
de gas incluye un cuerpo central (50) que se extiende hacia atrás
desde el motor (30) de núcleo, comprendiendo el citado aumentador
(60) de detonación de impulsos una cámara anular de combustión (64)
que se extiende circunferencialmente alrededor del cuerpo central
del motor.
5. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 4, en el que la citada cámara anular
de combustión (64) está radialmente hacia fuera desde el cuerpo
central (50) de motor y comprende una pluralidad de canales axiales
(74).
6. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 4, en el que la citada cámara anular
de combustión (64) comprende una pluralidad de primeros canales
axiales (76) y una pluralidad de segundos canales axiales (78),
estando los primeros canales axiales en comunicación de fluido con
el flujo de fluido que sale del motor (30) de núcleo, estando los
citados segundos canales axiales en comunicación de fluido con el
flujo de fluido que deriva el motor de núcleo.
7. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 6, en el que cada uno de los citados
primeros canales axiales (76) se encuentra entre una pareja de
segundos canales axiales (78) circunferencialmente adyacentes.
8. Un sistema (12) de detonación de impulsos de
acuerdo con la reivindicación 5, en el que el citado aumentador
(60) de detonación de impulsos comprende adicionalmente una
pluralidad de boquillas de pulverización (220) de atomización de
combustible, para suministrar combustible aguas abajo del motor
(30) de núcleo.
9. Un motor de turbina de gas (10) que
comprende:
- una porción de entrada;
- una porción de escape situada coaxialmente con la citada porción de entrada; y
- un sistema de detonación de impulsos (12) situado entre las citadas porciones de entrada y de escape, estando configurado el citado sistema de detonación de impulsos para producir una elevación de temperatura y una elevación de presión en el interior del citado motor y para incrementar el empuje del motor, que se caracteriza porque el citado sistema de detonación de impulsos comprende un aumentador (60) de detonación de impulsos multietapas que comprende un predetonador (48) que es operativo con al menos una primera etapa en la que se proporciona al citado aumentador una mezcla de combustible-aire que es menor que la estequiométrica.
10. Un motor de turbina de gas (10) de acuerdo
con la reeivindicación 9, que comprende adicionalmente un motor
(30) de núcleo configurado para accionar el citado motor, y un
conducto de derivación (44) para canalizar el flujo alrededor del
citado motor de núcleo, estando el citado sistema (12) de detonación
de impulsos aguas abajo respecto del citado motor de núcleo, de
manera que el citado sistema de detonación de impulsos esté en
comunicación de fluido con el citado conducto de derivación y con
el citado motor de núcleo.
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