ES2280914T3 - Canales de ventilacion en la placa de confluencia de una camara de post-combustion. - Google Patents
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Abstract
Turbomáquina de aviación que comprende aguas arriba de una cámara de post-combustión un difusor (2) delimitado por una pared tubular (3) llamada chapa de confluencia dispuesta en el interior de una carcasa (4), delimitando la citada carcasa y la citada pared entre sí un canal anular (5) para la circulación de un flujo secundario frío, habiendo inyectores aguas arriba (6) de combustible dispuestos en la entrada del citado difusor (2) y habiendo estabilizadores de llama (7) dispuestos aguas abajo de los citados inyectores aguas arriba (6), presentando la citada pared (3) una doble curvatura entre un plano radial que contiene a los citados inyectores aguas arriba (6) y un plano radial situado en la parte trasera de los citados estabilizadores de llama (7) y ensanchándose hacia aguas abajo con el fin de ralentizar la circulación del flujo primario (F1) aguas abajo de los citados inyectores aguas arriba (6), caracterizada porque está definida una toma de aire anular (11) alrededor de una porciónaguas arriba de la pared del citado difusor para extraer aire fresco del citado canal anular (5) y porque están definidos canales (12) repartidos circunferencialmente en la pared (3) de la citada chapa de confluencia entre una extremidad aguas abajo de la toma de aire y el citado difusor en el interior del cual desembocan, extendiéndose los citados canales y desembocando tangencialmente en la cara interna de la pared del citado difusor, en una parte de éste que se extiende entre los inyectores aguas arriba y los estabilizadores de llama.
Description
Canales de ventilación en la placa de
confluencia de una cámara de post-combustión.
La invención se refiere a las turbomáquinas de
aviación, principalmente de uso militar, que comprenden cámaras de
post-combustión que presentan un difusor aguas
arriba, como se describen, por ejemplo, en el documento US
5400589.
Se refiere más precisamente a una turbomáquina
de aviación de doble flujo que tiene una cámara de
post-combustión y que comprende aguas arriba de la
citada cámara de post-combustión un difusor
delimitado por una chapa de confluencia dispuesta en el interior de
una carcasa, delimitando la citada carcasa y la citada chapa de
confluencia entre sí un canal anular para la circulación de un
flujo secundario frío, existiendo inyectores aguas arriba de
combustible dispuestos en la entrada del citado difusor y existiendo
estabilizadores de llama dispuestos aguas abajo de los citados
inyectores, presentando la chapa de confluencia, entre el plano
radial que contiene a los citados inyectores y el plano radial que
contiene a los estabilizadores de llama, una doble curvatura y
ensanchándose hacia aguas abajo con el fin de ralentizar la
circulación del flujo primario aguas abajo de los citados
inyectores.
Este tipo de turbomáquina, que comprende un
difusor corto entre los inyectores y los estabilizadores de llama,
se caracteriza por una relación de dilución baja, vista desde la
parte trasera del cuerpo. El flujo secundario sirve principalmente
para la refrigeración de las piezas situadas aguas abajo de los
inyectores y debe ser juiciosamente utilizado con este objetivo.
A la inversa, el flujo primario procedente de la
turbina de baja presión tiene un caudal elevado. Es sobre él sobre
el que va a reposar lo esencial de los rendimientos del motor. Debe,
por consiguiente, tener el mínimo de pérdidas de carga y ser lo más
homogéneo posible en temperatura y velocidad. Para esto, el difusor
de la cámara de post-combustión, constituido por la
chapa de confluencia, tiene por función ralentizar el flujo
primario aguas arriba de los estabilizadores de llama y canalizarlo
con el fin de que ocupe, aguas abajo, todo el volumen de la cámara
de post-combustión. Esta función, llamada función de
difusión puesto que está acompañada de un aumento de la presión
estática, debe operarse sin que se formen remolinos intempestivos a
lo largo de la vena, siendo estos remolinos o recirculaciones
generadores de pérdidas que corren el riesgo de ocasionar una
autoinflamación del combustible expulsado por los inyectores aguas
arriba.
En las cámaras de
post-combustión de elevada relación de dilución, el
flujo primario y una parte del flujo secundario se reúnen para
mezclarse. A la inversa, cuando la relación de dilución es baja, la
fracción del flujo secundario disponible para la mezcla aguas abajo
de la chapa de confluencia se reduce cuando se han tomado todos los
caudales necesarios para la ventilación. La chapa de confluencia
debe, por consiguiente, ensancharse para que el flujo primario
ocupe toda la altura de la cámara de
post-combustión. Si la chapa tiene una forma mal
adaptada, se forma una recirculación en la proximidad de la chapa de
confluencia entre el plano de los inyectores y el plano de los
estabilizadores de llama. Esta recirculación está tanto más
favorecida cuando el giro a la salida de la turbina de baja presión
es importante.
Aparece así un riesgo de recirculación en la
proximidad de una chapa de confluencia muy difusiva y por un fuerte
giro del flujo primario. Esta recirculación se predice mediante
simulación numérica 3D del flujo. Aparece en el flujo primario al
nivel de la curvatura cóncava de la confluencia, y ésta dispone
entonces un recinto propicio para una bolsa de recirculación.
Hay, además, una temperatura y gradientes
térmicos excesivos en la unión de la porción de curvatura convexa y
de la porción de curvatura cóncava de la chapa de confluencia. Los
elevados gradientes térmicos son debidos a la convección por el
flujo frío secundario que sopla sobre la superficie externa de la
chapa y el flujo caliente primario que sopla sobre la superficie
interna.
Para suprimir los remolinos, se podría,
evidentemente, modificar la forma de la chapa de confluencia
alargando axialmente el difusor, pero esta solución aumenta el
volumen del motor.
El objeto de la invención es disminuir los
riesgos de recirculación y los gradientes de temperatura sin
modificar la forma y la longitud del difusor.
El objeto se logra de acuerdo con la invención
por el hecho de que está prevista una toma de aire anular alrededor
de la porción aguas arriba de la citada chapa de confluencia para
extraer un caudal de aire del flujo frío, siendo este caudal de
aire inyectado tangencialmente en el flujo primario por una
pluralidad de canales dispuestos en la pared de la chapa de
confluencia entre la toma de aire y el citado difusor.
Estos canales permiten, por una parte,
refrigerar la chapa de confluencia por convección, y, por otra
parte, crear una película de aire de refrigeración a lo largo de la
chapa de confluencia sometida a la radiación de la llama de la
cámara de post-combustión. Ésto disminuye la
temperatura de la estructura, lo que conduce, además, a una
reducción de la signatura infrarroja de las partes sólidas del fondo
de cámara. La circulación axial del aire de refrigeración a lo
largo de la pared de la chapa de confluencia permite además captar
la perturbación en esta zona.
Preferentemente, los canales que desembocan
circunferencialmente en la estela de los inyectores tienen una
sección netamente superior a la de los otros canales.
El caudal de aire más importante expulsado de
estos canales más anchos permite soplar la recirculación.
Ventajosamente, la toma de aire está delimitada
interiormente por una virola que rodea la sección aguas arriba del
difusor y exterioramente por la parte aguas arriba de una chapa que
forma aguas abajo de la virola la zona mediana y la zona aguas
abajo de la chapa de confluencia refrigerada por el caudal de aire
inyectado por los canales.
Otras ventajas y característica de la invención
se harán evidentes con la lectura de la descripción siguiente hecha
a título de ejemplo y en referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
la figura 1 es un semi-corte,
según un plano que contiene al eje de simetría, de la parte aguas
arriba de la parte trasera del cuerpo de una turbomáquina de
aviación de acuerdo con la invención, equipada con un difusor aguas
arriba de una cámara de post-combustión;
la figura 2 es una vista en perspectiva de la
virola interior que delimita la sección aguas arriba del
difusor.
difusor.
En la figura 1 se ha representado por la
referencia 1 la parte aguas arriba de la parte trasera del cuerpo
de una turbomáquina de aviación de eje X, que presenta un difusor 2,
aguas abajo de la turbina de baja presión y aguas arriba de una
cámara de post-combustión.
El difusor 2 está delimitado por una chapa de
confluencia 3 situada radialmente en el interior de una carcasa 4,
delimitando la carcasa 4 y la chapa de confluencia 3 entre sí un
canal anular 5 en el cual circula un flujo secundario frío F2.
En la extremidad aguas arriba del difusor 2
están montados inyectores de combustible 6 radiales, llamados
inyectores aguas arriba, que entregan, en modo de funcionamiento de
la post-combustión, un caudal de combustible al
flujo primario caliente F1 que penetra en el difusor 2. En un plano
perpendicular al eje X y situados aguas arriba de los inyectores
aguas arriba 6, están dispuestos estabilizadores de llama radiales 7
que se alternan circunferencialmente con los inyectores aguas
arriba 6 en planos meridianos. Estos estabilizadores de llama 7
están igualmente equipados con inyectores de combustible 8, llamados
inyectores aguas abajo. La referencia 9 designa un estabilizador de
llama anular de revolución alrededor del eje X dispuesto en la
extremidad de los estabilizadores de llama radiales 7.
Como se ve claramente en la figura 1, la chapa
de confluencia 3 se ensancha mucho hacia aguas abajo entre la
región de los inyectores aguas arriba 6 y la parte trasera de los
estabilizadores de llama 7, con el fin de que la velocidad de los
gases del flujo primario F1 disminuya al nivel de los
estabilizadores de llama 7. La chapa de confluencia 3 presenta una
doble curvatura, vista desde el interior del difusor 2, en la
dirección del eje X, a saber, una curvatura convexa en la región
aguas arriba y una curvatura cóncava en la región aguas abajo.
El objeto de la invención es, por una parte,
asegurar una refrigeración enérgica de la chapa de confluencia 3 en
su zona mediana y su zona aguas abajo, que están sometidas a las
altas temperaturas que reinan en el difusor 2 en funcionamiento y a
lo largo de las cuales pueden crearse recirculaciones generadoras de
flujo de calores intensos.
De acuerdo con la invención, estas zonas mediana
y aguas abajo son refrigeradas por un caudal de aire F3 extraído
del flujo secundario F2 por medio de una toma de aire 11 que rodea
la prolongación interna aguas arriba 10a de la chapa de confluencia
3 en la zona y aguas abajo de los inyectores aguas arriba 6 e
inyectado, tangencialmente a la cara interna de la citada chapa 3,
en el flujo primario F1 por mediación de canales 12 dispuestos en
la pared de la chapa de confluencia ente el interior de la toma de
aire 11 y el difusor 2.
Ventajosamente la toma de aire 11 está
delimitada interiormente por una virola 10a que rodea la sección
aguas arriba del difusor 2, y exteriormente por la parte aguas
arriba 13 de una chapa que forma aguas abajo de la virola 10a la
zona mediana y la zona aguas abajo de la chapa de confluencia 3,
refrigeradas por el caudal de aire F3 inyectado por los canales 12.
Esta parte aguas arriba 13 comprende orificios, atravesados con
juego por tubos de ventilación 17 que protegen los inyectores aguas
arriba 6, con el fin de permitir la introducción de un parte del
flujo secundario frío F2 en la toma de aire 11. La virola 10a y la
parte aguas arriba 13 presentan, aguas abajo, zonas de unión
axiales 14a y 14b en la interfaz de las cuales están dispuestos los
canales 12.
La figura 2 muestra la virola 10a. Los canales
12 están dispuestos en la cara externa de la parte aguas abajo 14a
de esta virola. La referencia 15 designa un orificio atravesado por
un tubo de ventilación 17 de un inyector aguas arriba 6. Se ve en
esta figura que los canales 12 están formados por gargantas axiales
y están repartidos en dos grupos.
En la estela de los inyectores aguas arriba 6
están previstas gargantas 16 de gran anchura que permiten llevar un
caudal de aire de ventilación importante al difusor 2 con el fin de
insuflar una eventual recirculación que podría iniciarse aguas
abajo de los inyectores aguas arriba 6.
Fuera de las estelas de los inyectores aguas
arriba, los canales 12 sirven esencialmente para la refrigeración
por convección de las paredes de la chapa de confluencia 3 en esta
zona y para la formación de una película de refrigeración sobre la
pared interna de la citada chapa 3 aguas abajo de esta zona. También
son de pequeña sección.
Estos canales 12 y estas gargantas 16 se han
realizado por mecanización de la zona de unión 14a de la virola 10a
antes de su fijación a la zona de unión 14b de la chapa de
confluencia 3.
Los canales 12 permiten una refrigeración
enérgica de la pared de la chapa de confluencia 3 y de la virola 10a
en las zonas sometidas a altas temperaturas.
Claims (5)
1. Turbomáquina de aviación que comprende aguas
arriba de una cámara de post-combustión un difusor
(2) delimitado por una pared tubular (3) llamada chapa de
confluencia dispuesta en el interior de una carcasa (4), delimitando
la citada carcasa y la citada pared entre sí un canal anular (5)
para la circulación de un flujo secundario frío, habiendo
inyectores aguas arriba (6) de combustible dispuestos en la entrada
del citado difusor (2) y habiendo estabilizadores de llama (7)
dispuestos aguas abajo de los citados inyectores aguas arriba (6),
presentando la citada pared (3) una doble curvatura entre un plano
radial que contiene a los citados inyectores aguas arriba (6) y un
plano radial situado en la parte trasera de los citados
estabilizadores de llama (7) y ensanchándose hacia aguas abajo con
el fin de ralentizar la circulación del flujo primario (F1) aguas
abajo de los citados inyectores aguas arriba (6),
caracterizada porque está definida una toma de aire anular
(11) alrededor de una porción aguas arriba de la pared del citado
difusor para extraer aire fresco del citado canal anular (5) y
porque están definidos canales (12) repartidos circunferencialmente
en la pared (3) de la citada chapa de confluencia entre una
extremidad aguas abajo de la toma de aire y el citado difusor en el
interior del cual desembocan, extendiéndose los citados canales y
desembocando tangencialmente en la cara interna de la pared del
citado difusor, en una parte de éste que se extiende entre los
inyectores aguas arriba y los estabilizadores de llama.
2. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizada porque los canales (16) que desembocan
circunferencialmente en la estela de los inyectores tienen una
sección netamente superior a la de los otros canales (12).
3. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizada porque la toma de aire (11) está delimitada
interiormente por una virola (10a) que rodea la sección aguas arriba
del difusor (2), y exteriormente por la parte aguas arriba (13) de
una chapa que forma aguas abajo de la virola (10a) la zona mediana y
la zona aguas abajo de la pared del difusor (3) refrigeradas por el
caudal de aire (F3) inyectado por los canales (12, 16).
4. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación
3, caracterizada porque la virola (10a) y la parte aguas
arriba (13) presentan, aguas abajo, zonas de unión (14a, 14b), y
porque los canales (12, 16) están dispuestos en la interfaz de las
citadas zonas de unión (14a, 14b).
5. Turbomáquina de acuerdo con la reivindicación
4, caracterizada porque los canales (12, 16) están dispuestos
en la cara externa de la virola (10a).
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