ES2283574T3 - Motores multiples de turbina de gas y metodos de funcionamiento de los mismos. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de funcionamiento de un motor con turbina de gas (10), que tiene un compresor (12) para comprimir aire, una pluralidad de cámaras de combustión (22a-f) en las cuales se quema el combustible mezclado con el aire comprimido, y una turbina (16) la cual está accionada por los productos de combustión, en el cual: (i) cada cámara de combustión funciona en un ciclo que comprende las fases de: A. cargar la cámara de combustión con una carga de aire comprimido procedente del compresor mientras se evita que el aire escape de la cámara de combustión; B. a continuación, realizar la mezcladura mediante una carga de gas de mezcladura para formar una carga de mezcladura; C. a continuación, comenzar la inyección de combustible en el interior de la cámara de combustión de tal modo que haya una ignición y combustión espontáneas del combustible con la carga de mezcladura a una presión generalmente constante; y D. a continuación, evacuar los productos de combustión hacia la turbina; (ii) los ciclos de las cámaras de combustión se encuentran desfasados en una secuencia; y (iii) parte de la cara de mezcladura y/o los productos de la combustión de ésta en cada una de las cámaras de combustión durante la fase de combustión se transfieren antes de la fase de evacuación a la siguiente cámara de combustión en la secuencia, para proporcionar la carga de mezcladura para la siguiente cámara de combustión.
Description
Motores múltiples de turbina de gas y métodos de
funcionamiento de los mismos.
Esta invención se refiere a motores y a
procedimientos de funcionamiento de los mismos.
La invención es aplicable a motores del tipo de
los que tienen un compresor para comprimir aire, una pluralidad de
cámaras de combustión, cada una de las cuales tiene, al menos, un
inyector de combustible y en las cuales arde el combustible
mezclado con el aire comprimido, y una turbina la cual es accionada
por los productos de combustión. Tal disposición constituye la base
de un motor con turbina de gas convencional. Tales motores se
utilizan, típicamente, para producir potencia mecánica mediante una
toma de fuerza y/o para producir empuje, y la turbina se utiliza,
típicamente, para accionar el compresor.
La eficiencia térmica de un motor con turbina de
gas convencional es relativamente pobre comparada con la de un
motor diesel sobrealimentado o, más en particular, un motor diesel
múltiple. La baja eficiencia térmica del motor con turbina de gas
convencional se debe, principalmente, a la presión y temperatura
comparativamente inferiores a las que tiene lugar la combustión, y
estos parámetros están limitados por la razón de presión del
compresor.
La presente invención, o al menos realizaciones
específicas de la misma, se refiere a mejoras en el rendimiento del
motor con turbina de gas, al permitir que la temperatura y la
presión a las que tiene lugar la combustión aumenten
sustancialmente.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente
invención, se proporciona un procedimiento de funcionamiento de un
motor con turbina de gas, en el cual cada cámara de combustión
funciona en un ciclo que comprende las fases de: cargar la cámara
de combustión con una carga de aire comprimido procedente del
compresor mientras se evita que el aire escape de la cámara de
combustión; a continuación, realizar el mezclado mediante la carga
de una carga de gas de mezcladura para formar una carga de
mezcladura; a continuación, iniciar la inyección de combustible en
el interior de la cámara de combustión, de tal manera que ocurra la
ignición y combustión espontáneas del combustible con la carga de
mezcladura a una presión generalmente constante; y, a continuación,
evacuar los productos de combustión hacia la turbina. Los ciclos de
las cámaras de combustión están en una secuencia desfasada, y parte
de la carga de mezcladura (y/o los productos de combustión de ésta)
en cada cámara de combustión durante la fase de combustión se
transfiere a la siguiente cámara de combustión en la secuencia
antes de la fase de evacuación, para proporcionar carga de
mezcladura para la siguiente cámara de combustión. Se apreciará que
esta transferencia de carga de mezcladura desde una cámara de
combustión a la siguiente aumenta la temperatura y la presión por
la compresión del aire en esta última cámara de combustión. La
combustión resultante en esta última cámara de combustión tiene
lugar, por lo tanto, a una temperatura y presión elevadas, por lo
que se mejora la eficiencia térmica del motor y/o se hace posible la
utilización de un combustible de grado inferior y/o de punto de
ignición superior.
El documento de patente
GB-A-892143 describe un
procedimiento de funcionamiento de un generador de combustión de
gas que presenta algunas similitudes con la presente invención. Sin
embargo, en el procedimiento descrito en el documento
GB-A-892143, la fase de carga actúa
únicamente como una fase de barrido, por lo que la presión en la
cámara de combustión al final de la frase de carga/barrido se
encuentra en algún punto entre la presión a la salida del compresor
y la presión de retorno de la turbina o bien la presión atmosférica
y es, por lo tanto, comparativamente menor, por lo que la
eficiencia global del motor se ve comprometida. Además, el
procedimiento del documento
GB-A-892143 descansa en el encendido
por chispa de la mezcla aire/combustible y, por lo tanto, es
susceptible de picos de temperatura y presión excesivamente altos
antes del comienzo de la fase de evacuación. Más aún, existe un
riesgo de ignición previa y/o detonación de la carga de
aire/combustible en una cámara de combustión mediante una llama
transportada desde la cámara de combustión previa durante la fase de
mezcladura. Por el contrario, el procedimiento de la presente
invención emplea una ignición espontánea, por lo cual la combustión
resultante puede ser fácilmente controlada para proporcionar un
quemado progresivo y prolongado del combustible a una presión
generalmente constante.
Asimismo, el documento de patente de
DE-C-383286 divulga un procedimiento
algo similar.
Preferiblemente, el ciclo de cada cámara de
combustión incluye, asimismo, una fase entre la fase de evacuación
y la fase de carga, para permitir el flujo del aire de
barrido/enfriamiento a través de la cámara de combustión desde el
compresor hasta la turbina. Esto sirve para barrer la cámara de
combustión y, asimismo, enfriar la misma, cualquier válvula de
evacuación y la turbina. Preferiblemente, a continuación del final
de la fase de barrido/enfriamiento la duración de la fase de carga
es tal que la presión de la carga de aire de entrada en la cámara
de combustión aumenta y, preferiblemente, se maximiza debido a un
efecto de presión dinámica.
Preferiblemente, cada cámara de combustión es
alargada, esto es, tiene una longitud sustancialmente mayor que su
diámetro o sus dimensiones en sección transversal. En este caso, la
carga con aire tiene lugar, preferiblemente, en o junto a uno de
los extremos de cada cámara de combustión, y la evacuación de los
productos de combustión tiene lugar en o junto al extremo opuesto
de cada cámara de combustión. Esto sirve para fomentar la
estratificación a lo largo de la cámara de combustión.
\newpage
Preferiblemente, la fase de combustión para cada
cámara de combustión incluye la inyección de combustible en el
interior de la cámara de combustión. En este caso, la transferencia
de la carga de mezcladura tiene lugar, preferiblemente, en o junto
a un extremo de cada cámara de combustión, y la inyección de
combustible tiene lugar en o junto al otro extremo de cada cámara
de combustión. De acuerdo con esto, existe una tendencia a que la
carga de mezcladura sea aire, antes que productos de la
combustión.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente
invención, se suministra un motor con turbina de gas en el que:
cada cámara de combustión está conectada al compresor mediante un
puerto de entrada respectivo, que tiene una válvula de entrada
respectiva; cada cámara de combustión está conectada a la turbina
mediante un puerto de evacuación respectivo, que tiene una válvula
de evacuación respectiva; las cámaras de combustión están
dispuestas, al menos, como una serie y la serie, o cada una de las
mismas, puede funcionar secuencialmente; cada cámara de combustión
está conectada a la siguiente cámara de combustión en la serie
respectiva mediante un puerto de transferencia respectivo, que
tiene una válvula de transferencia respectiva; y el motor comprende,
adicionalmente, medios para operar las válvulas e los inyectores de
tal manera que el motor funciona de acuerdo con el procedimiento
del primer aspecto de la invención.
Preferiblemente, los medios de funcionamiento de
la válvula y del inyector son operables de tal manera que, durante
la fase de carga para cada cámara de combustión, la válvula de
entrada para esa cámara está abierta y la válvula de evacuación
para esa cámara está cerrada, con el fin de proporcionar el efecto
de presión dinámica mencionado anteriormente.
Preferiblemente, los medios de funcionamiento de
la válvula y del inyector son operables para proporcionar una fase
de barrido/enfriamiento para cada cámara de combustión, en la cual
la válvula de la entrada y la válvula de evacuación para esta
cámara están abiertas ambas.
En el montaje del documento
GB-A-892143, las cámaras de
combustión están dispuestas como tambores rotatorios que deslizan
entre dos placas de válvulas de orificio estacionarias. Con tal
disposición, se puede prever que el sellado satisfactorio de los
puertos y/o el suministro de aire o líquido de refrigeración
adecuado a las cámaras de combustión en tal montaje rotatorio sería
impracticable. Por el contrario, en la presente invención, cada
válvula de entrada, válvula de evacuación y/o válvula de
transferencia comprende, preferiblemente, una válvula circular, una
válvula rotatoria o una válvula de camisa respectiva. Además, el
compresor y la turbina tienen cada uno de ellos, preferiblemente,
alojamientos fijos en relación a las cámaras de combustión.
Diseñadas para contener altas presiones de combustión, estas cámaras
pueden formar, por lo tanto, una parte integral de la estructura
global del motor.
En el montaje del documento
GB-A-892143, el tambor rotatorio de
las cámaras de combustión está accionado por el eje de la turbina,
por lo que la transferencia funciona a la velocidad de la turbina.
De acuerdo a esto, cada sector de la corona de álabes de la turbina
puede experimentar siempre la misma porción del ciclo de trabajo,
por lo que algunos sectores de la corona de álabes de la turbina
pueden estar más calientes que otros. Esto puede conducir a
dificultades con el calentamiento diferencial, la acumulación de
carbonilla, etc. Por el contrario, en la presente invención, los
medios de funcionamiento de la válvula y del inyector se accionan,
preferiblemente, de modo mecánico por la turbina mediante, al menos,
una caja de engranajes. De acuerdo con esto, se puede disponer que
la corona de álabes de la turbina precesionen con relación al ciclo
del motor.
Preferiblemente, el compresor es accionado
mecánicamente por la turbina mediante, al menos, una caja de
engranajes. Esto puede ser particularmente ventajoso en el caso de
un compresor centrífugo y una turbina axial.
En el caso en el que cada cámara de combustión
sea alargada, cada puerto de entrada se dispone, preferiblemente,
en o junto a un extremo de la cámara de combustión respectiva, y
cada puerto de evacuación se dispone en o junto al extremo opuesto
de la cámara de combustión respectiva.
Preferiblemente, el motor incluye,
adicionalmente, para cada cámara de combustión al menos un inyector
de combustible respectivo. En este caso, cada puerto de
transferencia se dispone, preferiblemente, en o junto a un extremo
de la cámara de combustión respectiva, y cada inyector de
combustible se dispone en o junto al extremo opuesto de la cámara
de combustión respectiva.
Cada válvula de entrada, válvula evacuación y/o
válvula de transferencia comprende, preferiblemente, una válvula
circular, una válvula de pistón, un válvula rotatoria o una válvula
de camisa respectiva.
Preferiblemente, el motor incluye,
adicionalmente, un diafragma de toberas entre los puertos de
evacuación y la turbina, diafragma de toberas que tiene una
pluralidad de segmentos, cada uno de los cuales corresponde con una
de las cámaras de combustión respectivas. Tal segmentación reduce
las interferencias entre segmentos de toberas de entrada a la
turbina vecinos y las cámaras de combustión contiguas, debido a
fluctuaciones de presión.
Realizaciones específicas de la presente
invención se describirán a continuación, meramente a modo de
ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:
la figura 1 es una vista lateral de un motor con
turbina de gas, con un alojamiento de su etapa de combustión
mostrado en línea de puntos;
la figura 2 es una vista en sección trasera del
motor de la figura 1, tomada a lo largo de la línea
2-2 mostrada la figura 1, y a una escala mayor;
la figura 3 es un desarrollo esquemático del
motor de las figuras 1 y 2, tomado a lo largo de la línea de
desarrollo 3-3, mostrada en la figura 2;
la figura 4 es un diagrama de fases para
ilustrar un modo de funcionamiento del motor de las figuras 1 a
3;
la figura 5 es un diagrama de fases más
detallado para ilustrar el funcionamiento de una de las cámaras de
combustión del motor de las figuras 1 a 3;
la figura 6 es similar a la figura 3 pero con
una configuración del motor diferente;
la figura 7 es un diagrama de fases para
ilustrar el funcionamiento de las cámaras de combustión del motor
de la figura 6;
la figura 8 es un desarrollo esquemático, tomado
a lo largo de la línea 8-8 en la figura 6; y
la figura 9 es un desarrollo esquemático, tomado
a lo largo de la línea 9-9 en la figura 6.
En referencia a los dibujos, un motor con
turbina de gas 10 tiene un compresor 12, una etapa de combustión 14
y una turbina 16. El compresor 12 y la turbina 16 pueden ser de
diseño/construcción generalmente convencional, y cada uno de ellos
puede ser una unidad multietapa. Típicamente, la turbina 16 está
conectada al compresor 12 y lo acciona a través del eje 18. Un
segundo eje 19 coaxial se suministra para el funcionamiento y la
sincronización del equipo auxiliar, que incluye las válvulas, el
sistema de inyección de combustible, el sistema de regulación y de
lubricación. El eje 18 y el eje 19 coaxial están conectados,
preferiblemente, mediante engranajes o, en el caso de aplicaciones
estacionarias, el eje 19 coaxial puede estar accionado por medios
externos, en cuyo caso el regulador debe estar accionado por el eje
18, con el fin de controlar la velocidad de salida. El motor 10
puede tener una toma de fuerza mecánica, por ejemplo en aplicaciones
estacionarias o marinas, o se puede utilizar como motor
turbopropulsado o como turbojet en cualquier otra configuración de
motor de producción de empuje. La novedad del motor 10 descansa,
principalmente, en el método de mezcladura en la etapa de
combustión 14.
En la configuración de las figuras 1 a 3, la
etapa de combustión 14 dispone de un alojamiento 20, que alberga un
montaje circular de seis cámaras de combustión 22a-f
alargadas, o vasijas de presión, con sus ejes longitudinales
generalmente paralelos a los ejes 18 y 19 y dispuestos alrededor de
los mismos.
Un extremo de cada cámara de combustión
22a-f se conecta, mediante un puerto de entrada 24
respectivo, a un colector 26 en la salida del compresor 12. Cada
puerto de entrada 24 contiene una válvula de entrada
28a-f respectiva, la cual funciona mediante un
mecanismo actuador 30 de las válvulas de transferencia y de entrada
que, a su vez, puede estar accionado por el eje 19 coaxial. Cada
válvula de entrada 28a-f puede ser una válvula
circular que se abre forzadamente mediante el mecanismo actuador 30,
preferiblemente mediante una leva, y que se cierra mediante un
muelle, y que se mantiene cerrada por la presión en la cámara de
combustión 22a-f respectiva. Alternativamente, se
pueden emplear otros tipos de válvula de entrada, que incluyen
válvulas de pistón, rotatorias o de camisa.
El otro extremo de cada cámara de combustión
22a-f se conecta mediante un puerto evacuación 32
respectivo a un segmento 34a-f respectivo de un
diafragma de toberas 36 en la entrada a la turbina 16. Cada puerto
evacuación contiene una válvula de evacuación 38a-f
respectiva que es operada mediante un mecanismo 40 de válvula
evacuación, el cual puede ser accionado a su vez mediante el eje 19
coaxial. Cada válvula de evacuación 38a-f puede ser
una válvula de pistón, que funciona mediante el mecanismo actuador
40, preferiblemente mediante una excéntrica o una manivela de
carrera corta. Alternativamente, se pueden emplear otros tipos de
válvula de evacuación, que incluyen válvulas circulares, rotatorias
o de camisa.
Junto al extremo de evacuación de cada cámara de
combustión 22a-f, se dispone una tobera
42a-f de inyección de combustible respectiva. Las
toberas de inyección de combustible funcionan secuencialmente para
inyectar combustible diesel en el interior de las respectivas
cámaras de combustión 22a-f, y su temporización se
controla mediante una bomba 43 de inyección de combustible,
accionada por el eje 19 coaxial (que se muestra contiguo a ésta en
diagrama). Se puede disponer más de una tobera 42a-f
de inyección de combustible para alimentar a la cámara de
combustión 22a-f. En donde los ejes 18, 19 están
unidos mecánicamente, la bomba 43 de inyección de combustible puede
ser una bomba de combustible en línea equipada con un regulador
integral, o una bomba de distribución de combustible rotatoria,
nuevamente con un regulador integral. Alternativamente, cada cámara
22a-f se puede alimentar de combustible mediante la
utilización de unidades individuales combinadas de
tobera/inyector/bomba de combustible, las cuales, a su vez, pueden
estar actuadas mediante el eje 19 coaxial, a pesar de que tal
disposición requeriría una unidad de regulación enlazada y separada,
accionada mediante el eje 18, con el fin de controlar la velocidad
de
salida.
salida.
Junto al extremo de entrada de cada cámara de
combustión (por ejemplo, la cámara 22b), la cámara de combustión se
conecta a las dos cámaras de combustión contiguas (por ejemplo, las
cámaras 22a, 22c) mediante los respectivos puertos de transferencia
44. Cada puerto de transferencia 44 contiene una válvula de
transferencia 46ab, 46bc, 46cd, 46de, 46ef, 46fa respectiva, que
está operada mediante el mecanismo actuador 30 de la válvula de
transferencia y de entrada. Cada válvula de transferencia 46ab,
46bc, 46cd, 46de, 46ef, 46fa puede ser una válvula de pistón, que
está operada mediante el mecanismo actuador 30, preferiblemente
mediante una excéntrica o una manivela de carrera corta.
Alternativamente, se pueden emplear otros tipos de válvulas de
transferencia, que incluyen válvulas rotatorias o de camisa.
El mecanismo actuador 30 de la válvula de
transferencia y de entrada ha sido considerado anteriormente y
mostrado esquemáticamente como una unidad individual, operada
mediante el eje 19 coaxial, pero en la práctica se pueden disponer
unidades o mecanismos separados para actuar las válvulas de entrada
28a-f y para actuar las válvulas de transferencia
46ab, 46bc, 46cd, 46de, 46ef, 46fa.
Aunque se ha propuesto anteriormente que el eje
19 coaxial pueda ser accionado, bien a través de engranajes
mediante el eje 18 o, alternativamente, por medios externos, se
podrían prever pequeñas variaciones en la temporización de las
válvulas respectivas y/o en la temporización de la inyección de
combustible para satisfacer diferentes condiciones de
funcionamiento, mientras que se mantiene simultáneamente la
sincronización global de las funciones auxiliares. Se prevé,
asimismo, que la relación de desmultiplicación entre el eje 18 y el
eje 19 coaxial de accionamiento auxiliar se pueda escoger de tal
manera que la secuencia de funciones que tienen lugar en las
cámaras de combustión esté fuera de sincronización con la velocidad
rotacional de la turbina, o sea un múltiplo de la misma. Esto
garantiza, por ejemplo, que los pulsos de evacuación precesionen
constantemente en relación con la rotación de la corona de álabes
de la turbina, o con múltiplos de las revoluciones de la misma,
independientemente de las velocidades o direcciones relativas de la
rotación del eje, con vistas a minimizar las tensiones térmicas
diferenciales.
El funcionamiento del motor en el estado
estacionario de la configuración de seis cámaras mostrada en las
figuras 1 a 3 se describe a continuación, asumiendo el punto inicial
en el que,
la válvula de entrada 28c de la cámara de
combustión 22c está abierta, la válvula evacuación 38c está a punto
de cerrarse, y el barrido/enfriamiento está a punto de cesar; su
válvula a la transferencia 46cd a la siguiente cámara de combustión
22d está cerrada, su válvula de transferencia 46bc desde la cámara
de combustión previa 22b está cerrada, no se inyecta combustible en
la tobera 42c;
la cámara de combustión 22b aventaja a la cámara
de combustión 22c por 1/6 de ciclo; y
la cámara de combustión 22d se encuentra
retrasada con respecto a la cámara de combustión 22c en 1/6 de
ciclo.
Desde el punto inicial, las fases de
funcionamiento del motor A a E y las transiciones entre ellas, AB,
BC, CD, DE, EA, en lo que concierne a la cámara de combustión 22C,
son como sigue:
Transición E-A: la válvula de
evacuación 38c se cierra al final de la fase de
barrido/enfriamiento:
Fase A: Carga. El aire continúa fluyendo desde
el colector 26 de salida del compresor a través de la válvula de
entrada 28c abierta hacia el interior de la cámara de combustión 22c
hasta que la presión en ésta se aproxima a la del colector de
salida del compresor.
Transición A-B: Cuando la
presión en la cámara de combustión 22c alcanza, generalmente, la
presión del colector de salida del compresor, la válvula de entrada
28c se cierra y la válvula de transferencia 46bc, que conecta con
la cámara de combustión 22b previa, se abre.
Fase B: Mezcladura. El aire a alta presión y/o
los productos de combustión fluyen desde la cámara de combustión
22b previa (bajo condiciones de presión aproximadamente constantes,
mantenidas por la inyección de combustible en el interior de la
cámara de combustión 22b), lo que aumenta la compresión del aire en
la cámara de combustión 22c y, por lo tanto, eleva sustancialmente
la temperatura y la presión de la carga de aire en la cámara de
combustión 22c, en anticipación a la inyección de combustible.
Transición B-C: La válvula de
transferencia 46bc, que conecta con la cámara de combustión 22b
previa, se cierra. La inyección de combustible a través de la
tobera 42c en el interior de la cámara de combustión 22c se inicia
cuando la válvula de transferencia 46cd, que conecta con la
siguiente cámara de combustión 22d, se abre.
Fase C: Combustión. La combustión e ignición
espontáneas del combustible/aire tiene lugar debido a la presión y
temperaturas altas existentes en la cámara de combustión 22c.
Durante la combustión, aire alta presión y/o productos de
combustión fluyen desde la cámara de combustión 22c a una presión
aproximadamente constante hacia el interior de la siguiente cámara
de combustión 22d, lo que proporciona, por lo tanto, el pulso de
mezcladura de la fase B para la siguiente cámara de combustión
22d.
Transición C-D: Cuando la
inyección de combustible desde la boquilla 42c en el interior de la
cámara de combustión 22c satisface los requerimientos de potencia y
la transferencia a la siguiente cámara se completa, la válvula de
transferencia 46cd, que conecta con la cámara de combustión 22d, se
cierra. La válvula de evacuación 38c se abre.
\newpage
Fase D: Evacuación. Los productos residuales de
la combustión a alta presión se evacuan desde la cámara de
combustión 22c a través del segmento de tobera 34c hacia la turbina
16, y la presión en la cámara de combustión 22c cae.
Transición D-E: La válvula de
entrada 28c se abre.
Fase E: Barrido. El aire fluye desde el colector
26 de salida del compresor a través de la válvula de entrada 28c, a
través de la cámara de combustión 22c y de la válvula de evacuación
38c, lo que proporciona un barrido continuo de la cámara de
combustión 22c, así como el enfriamiento de la cámara de combustión
22c, la válvula de evacuación 38c, el segmento 34c de la tobera de
la turbina y la turbina 16.
Transición E-A: Se trata de una
repetición de la transición E-A, descrita al
comienzo de esta sección.
Estas fases para la totalidad de las seis
cámaras de combustión 22a-f se muestran en la figura
4. Las longitudes relativas de las fases A a E se muestran en la
figura 4: A-90°; B-60º;
C-60º; D-60°; y
E-90°. No obstante, las fases relativas de A, D y E
pueden variar considerablemente con respecto a aquéllas mostradas en
la figura 4, aunque en la fase B de mezcladura y la etapa C de
combustión/transferencia son iguales y limitadas a un máximo de 60°
para la configuración de seis cámaras.
La figura 5 es un diagrama de ciclo más
detallado para cualquiera de las cámaras de combustión 22. De nuevo,
muestra que la fase B de mezcladura y la fase C de
combustión/transferencia son iguales y están limitadas a 60°. El
diagrama muestra el inicio de la inyección de combustible con el
comienzo de la transferencia y la razón de inyección de combustible
está pensada para mantener una presión aproximadamente constante a
lo largo de las fases de combustión y transferencia. Normalmente,
la inyección de combustible se completará antes del final de la
fase de transferencia, lo que deja suficiente tolerancia para que el
regulador mantenga la salida de velocidad/potencia necesaria
correspondiente a la carga del motor. Se apreciará, no obstante, que
la configuración conduce por sí misma a un amplio intervalo de
razones de inyección de combustible y temporizaciones
predeterminadas tales que, bajo ciertas condiciones de
funcionamiento, la inyección puede comenzar de modo marginal antes
del comienzo de la transferencia, o puede terminar, de modo
marginal, tras el fin de la transferencia.
Como se mencionó anteriormente, cada cámara de
combustión 22a-f es alargada, esto es, su longitud
entre sus puertos de entrada 24 y sus puertos evacuación 32 es
sustancialmente superior a su diámetro o a sus dimensiones en
sección transversal. Además, los inyectores de combustible
42a-f y los puertos de transferencia 44 están
situados en extremos opuestos de cada cámara de combustión, con el
fin de proporcionar una estratificación óptima entre la carga de
aire y los productos residuales de combustión. Cuando se inyecta
combustible durante la fase C de combustión, la combustión tenderá
concentrarse en el mismo extremo que la tobera de inyección,
mientras que la carga de aire se concentrará en el extremo del
puerto de transferencia de la cámara. Así pues, el aire/gas que se
transfiere a la siguiente cámara de combustión en la secuencia
tendrá una alta concentración de aire no quemado. Para el motor de
ciclo único de seis cámaras de combustión mostrado en las figuras 1,
2, 3, 4 y 5, los puertos de transferencia se sitúan junto a los
puertos de entrada, y las toberas de inyección se sitúan junto a
los puertos evacuación. Aunque ésta es la disposición preferida, se
podrá apreciar que la estratificación se puede conseguir igualmente
si las toberas de inyección se encuentran junto a las válvulas de
entrada, y los puertos de transferencia se encuentran junto a las
válvulas de evacuación. Este es el objeto de un motor de doble
ciclo o motor dúplex alternativo descrito a continuación, con
referencia a las figuras 6 a 9.
El motor 10, descrito anteriormente, se utiliza,
preferiblemente, a una velocidad casi constante y/o con una salida
de potencia casi constante. Esto requiere equipamiento adicional
para el inicio, tal como medios para su arranque a la velocidad de
funcionamiento, y puede requerir la introducción o inyección de un
combustible volátil con un encendido por chispa sincronizada, hasta
que el ciclo de ignición compresión se pueda mantener.
En el motor 10 descrito anteriormente, el
alojamiento 20 puede servir para recoger aceite lubricante usado,
por ejemplo en base a un cárter seco, y transportar aire de
refrigeración adicional purgado desde el compresor y evacuado hacia
el interior de una etapa de turbina posterior. Este aire de purga se
puede utilizar para una refrigeración externa adicional de las
cámaras de combustión y, particularmente, para los puertos de
transferencia y sus válvulas respectivas. El alojamiento 20 se
puede utilizar, asimismo, para contener y ventear cualquier fuga de
gas que pueda ocurrir, por ejemplo, en los vástagos de las válvulas
circulares de la entrada o más allá de los anillos del pistón de
las válvulas de transferencia y evacuación. Las superficies externas
de las cámaras de combustión 22a-f pueden estar
provistas con aletas radiales, longitudinales o espirales para
ayudar en la refrigeración, y/o las cámaras de combustión
22a-f pueden estar dotadas con refrigerante líquido.
En el caso en el que se empleen aletas longitudinales, las cámaras
de combustión se puede fabricar por extrusión.
Se prevé que la aplicación ideal para este
motor, con el fin de obtener todas las ventajas de la eficiencia
mejorada, podría ser la generación eléctrica, particularmente, la
generación de reserva, y para la propulsión marina y los motores
marinos auxiliares asociados mediante el uso, en cada caso, de una
toma de fuerza de engranajes mecánicos. El motor puede estar
desarrollado, asimismo, para la propulsión de aeronaves, en
configuraciones tubopropulsadas, turbojet y en otras
configuraciones, en las cuales se aprecia que la eficiencia mejorada
puede compensar cualquier aumento en peso y en las cuales el motor
proporcionaría una seguridad mejorada mediante la utilización de
combustibles diesel de bajo grado y alto punto de ignición.
Se pueden realizar muchas modificaciones y
desarrollos a la realización de la invención descrita anteriormente.
Por ejemplo, las seis cámaras de combustión 22a-f
se ha mostrado meramente como ejemplo y se pueden disponer otro
número de cámaras de combustión. Como se señaló anteriormente, las
funciones auxiliares, que incluyen las válvulas y el equipamiento
de inyección de combustible, pueden ser operadas mediante el eje 19
coaxial accionado por engranajes o, en instalaciones estacionarias,
el eje 19 coaxial puede estar accionado mediante medios externos,
tales como un motor eléctrico, con el fin de que la velocidad de
funcionamiento de las válvulas y del equipo de inyección se pueda
controlar más fácilmente, con independencia de la velocidad del eje
18 de la turbina de gas. La velocidad de tal motor se puede
controlar de modo que proporcione precesión entre los ciclos de
trabajo de las cámaras de combustión y la turbina. En cualquier
caso, el regulador debe estar enlazado con el eje 18 con el fin de
controlar la velocidad de salida. Ya esté el eje 19 mecánicamente
enlazado a través de engranajes con el eje 18 o accionado por
medios externos, se prevé que la temporización absoluta y/o
relativa de los auxiliares se pueda variar, por ejemplo, mediante
mecanismos o sistemas automáticos o manuales de avance/retardo,
para el ajuste fino del rendimiento del motor con relación a
variaciones en la carga/velocidad.
En la realización descrita anteriormente, las
cámaras de combustión funcionan en un ciclo único, y se puede
apreciar que esto produce una carga axial desequilibrada en la
turbina. Alternativamente, las cámaras de combustión pueden
funcionar en un ciclo doble en el cual el motor tiene, por ejemplo,
diez cámaras de combustión tales que las cámaras diametralmente
opuestas están sincronizadas mediante la utilización de levas de
doble lóbulo para actuar válvulas opuestas, en lugar de excéntricas
o manivelas de carrera corta. De acuerdo con esto se podrá apreciar
que, en cualquier momento en el que una de las cámaras de combustión
esté en su fase de evacuación, la cámara de combustión
diametralmente opuesta estará, a su vez, en su fase de evacuación,
de tal manera que las cargas axiales sobre la turbina están
equilibradas. Sin embargo, se podrá apreciar asimismo que las fases
de transferencia y combustión efectiva se acortan cuando se
incrementa el número de cámaras, estando limitadas en este caso a
un máximo de 36°, por lo que se propone a continuación una
disposición alternativa, que se muestra en las figuras 6 a 9.
Las figuras 6 a 9 muestran que se puede
conseguir una disposición equilibrada mediante, digamos, diez
cámaras de combustión en una serie doble de cinco cámaras
interpuestas. En este ejemplo, para la transferencia se enlazan
cámaras alternativas y esta configuración permite un máximo de 72°
para cada fase de combustión/transferencia y, asimismo, permite la
utilización de excéntricas o manivelas de carrera corta para el
control de las válvulas de transferencia y evacuación. Un número
impar de cámaras 22o se conectan entre sí mediante puertos de
transferencia 44o, y un número par de cámaras 22e se conectan
mediante puertos de transferencia 44e. La temporización de las
válvulas y de la inyección se dispone de tal manera que cámaras
diametralmente opuestas están realizando siempre la misma operación
y, por lo tanto, se conserva el equilibrio axial. Otras
características del motor de las figuras 6 a 9 se designan con los
mismos números de referencia que aquellos utilizados anteriormente
en relación con las figuras 1 a 5.
Se ha establecido que el eje 18 puede
proporcionar un accionamiento directo entre la turbina y el
compresor, mientras que los engranajes entre los ejes concéntricos
18, 19 garantizan que los ciclos de combustión del motor
precesionan en relación a la rotación de la turbina.
Alternativamente, con el fin de hacer coincidir de modo preciso las
características del compresor con aquéllas de la turbina, por
ejemplo cuando se utiliza un compresor centrífugo y un compresor
axial, se deben incluir engranajes en cada extremo del eje 19, en
cuyo caso no hay necesidad del eje 18. Tal disposición se prefiere
para permitir la preselección de las razones de velocidad óptimas
entre el compresor, los auxiliares y la turbina. Esto permite,
asimismo, la utilización de manivelas de carrera corta a lo largo
del eje 19 para el funcionamiento de las válvulas de pistón mediante
barras de conexión.
Aunque la turbina se ha descrito anteriormente
como una unidad individual, se pueden emplear alternativamente dos
turbinas, una para accionar el compresor y los auxiliares, y la otra
para proporcionar una salida mecánica.
Claims (17)
1. Un procedimiento de funcionamiento de un
motor con turbina de gas (10), que tiene un compresor (12) para
comprimir aire, una pluralidad de cámaras de combustión
(22a-f) en las cuales se quema el combustible
mezclado con el aire comprimido, y una turbina (16) la cual está
accionada por los productos de combustión, en el cual:
(i) cada cámara de combustión funciona en un
ciclo que comprende las fases de:
- A.
- cargar la cámara de combustión con una carga de aire comprimido procedente del compresor mientras se evita que el aire escape de la cámara de combustión;
- B.
- a continuación, realizar la mezcladura mediante una carga de gas de mezcladura para formar una carga de mezcladura;
- C.
- a continuación, comenzar la inyección de combustible en el interior de la cámara de combustión de tal modo que haya una ignición y combustión espontáneas del combustible con la carga de mezcladura a una presión generalmente constante; y
- D.
- a continuación, evacuar los productos de combustión hacia la turbina;
(ii) los ciclos de las cámaras de combustión se
encuentran desfasados en una secuencia; y
(iii) parte de la cara de mezcladura y/o los
productos de la combustión de ésta en cada una de las cámaras de
combustión durante la fase de combustión se transfieren antes de la
fase de evacuación a la siguiente cámara de combustión en la
secuencia, para proporcionar la carga de mezcladura para la
siguiente cámara de combustión.
2. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el cual el ciclo de cada cámara de combustión
incluye, asimismo, una fase E, entre su fase D de evacuación y su
fase A de carga, para permitir que el aire de barrido/enfriamiento
fluya a través de la cámara de combustión desde el compresor hasta
la turbina.
3. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 2, en el cual, tras el final de la fase de
barrido/enfriamiento, la duración de la fase de carga es tal que la
presión de la carga de aire de entrada en la cámara de combustión
aumenta y se maximiza, preferiblemente por un efecto de presión
dinámica.
4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, en el cual cada cámara de
combustión es alargada.
5. Un procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 4, en el cual:
la carga con aire tiene lugar en o junto a un
extremo de cada cámara de combustión; y
la evacuación de los productos de combustión
tiene lugar en o junto al extremo opuesto de cada cámara de
combustión.
6. Un procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 4 o 5, en el cual:
la transferencia de la carga de mezcladura tiene
lugar en o junto a un extremo de cada cámara de combustión; y
la inyección de combustible tiene lugar en o
junto al otro extremo de cada cámara de combustión.
7. Un motor con turbina de gas (10), que
comprende:
un compresor (12) para comprimir aire;
una pluralidad de cámaras de combustión
(22a-f), cada una de las cuales tiene al menos un
inyector de combustible (42a-f), y en las que puede
arder el combustible mezclado con el aire comprimido; y
una turbina (16), la cual está accionada por los
productos de la combustión;
en el cual:
cada cámara de combustión está conectada con el
compresor mediante un puerto de entrada (24) respectivo, que tiene
una válvula de entrada (28a-f) respectiva;
cada cámara de combustión está conectada con la
turbina mediante un puerto de evacuación (32) respectivo, que tiene
una válvula de evacuación (38a-f) respectiva;
las cámaras de combustión se disponen como, al
menos, una serie y en la serie, o en cada una de ellas, funcionan
secuencialmente;
cada cámara de combustión está conectada a la
siguiente cámara de combustión en la serie respectiva mediante un
puerto de transferencia (44) respectivo que tiene una válvula de
transferencia (46ab, 46bc, 46cd, 46de, 46ef, 46fa) respectiva;
y
el motor comprende, adicionalmente, medios (30,
40, 43) para el funcionamiento de los válvulas y de los inyectores,
de tal modo que el motor funciona de acuerdo con el procedimiento
reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
8. Un motor de acuerdo con la reivindicación 7,
en el cual los medios de funcionamiento de la válvula y del
inyector son operables de tal manera que durante la fase de carga
para cada cámara de combustión, la válvula de entrada para esa
cámara está abierta y la válvula de evacuación para esa cámara está
cerrada.
9. Un motor de acuerdo con las reivindicaciones
7 u 8 cuando dependan de la reivindicación 2, en el cual los medios
de funcionamiento de la válvula y del inyector son operables de tal
manera que, durante la fase de barrido/enfriamiento de cada cámara
de combustión, tanto la válvula de entrada como la de evacuación
para esa cámara están abiertas.
10. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 9, en el cual tanto el compresor como la
turbina disponen de alojamientos fijos en relación con las cámaras
de combustión.
11. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 10, en el cual cada válvula de entrada,
válvula de evacuación y/o válvula de transferencia comprende una
respectiva válvula circular, de pistón, rotatoria o de camisa.
12. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 11, en el cual los medios de funcionamiento de
la válvula y del inyector están accionados mecánicamente por la
turbina mediante, al menos, un caja de engranajes.
13. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 12, en el cual el compresor está accionado
mecánicamente por la turbina mediante, al menos, una caja de
engranajes.
14. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 13, en el cual cada cámara de combustión es
alargada.
15. Un motor de acuerdo con la reivindicación
14, en el cual:
cada puerto de entrada se dispone en o junto a
un extremo de la cámara de combustión respectiva; y
cada puerto de evacuación se dispone en o junto
al extremo opuesto de la cámara de combustión respectiva.
16. Un motor de acuerdo con las reivindicaciones
14 o 15, en el cual:
cada puerto de transferencia se dispone en o
junto a un extremo de la cámara de combustión respectiva; y
cada inyector de combustible se dispone en o
junto al extremo opuesto de la cámara de combustión respectiva.
17. Un motor de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 16, que incluye, adicionalmente, un diafragma
de toberas (36) entre los puertos de evacuación y la turbina,
diafragma de toberas que tiene una pluralidad de segmentos
(34a-f), cada uno de los cuales corresponde a una de
las cámaras de combustión respectivas.
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