ES2354133T3 - Generación de electricidad en una turbomáquina mediante un motor de stirling. - Google Patents
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Abstract
Turbomáquina de doble flujo (10), que comprende un cárter de escape (24) unido por brazos radiales (36) a paredes cilíndricas coaxiales (28, 30, 32, 34) que delimitan venas de circulación de un flujo primario (B) de gases de escape calientes y de un flujo secundario (A) de aire frío, estando caracterizada la turbomáquina porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial (36) y que comprende dos intercambiadores térmicos, de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial (36) que interceptan respectivamente el flujo primario (B) y el flujo secundario (A).
Description
La presente invención se refiere a la generación de electricidad en las turbomáquinas, en particular de doble flujo, tales como los turborreactores de aviones. 5
La alimentación eléctrica de los aviones está asegurada en general por generadores electromecánicos integrados en los turborreactores de estos aviones y arrastrados por una toma de potencia en compresores de alta presión de los turborreactores.
No siendo utilizada para la propulsión la potencia mecánica así tomada, este 10 tipo de generador eléctrico penaliza de modo sensible el rendimiento de los turborreactores.
Es ya conocido arrastrar un generador eléctrico por medio de un motor que funciona según un ciclo de Stirling, pero un generador de este tipo es una máquina pesada concebida para funcionar en cogeneración con medios de 15 calentamiento de inmuebles o de edificios como se describe por ejemplo en el documento GB-A-2 391 299, y no está adaptado para una utilización en una turbomáquina aeronáutica.
La invención tiene especialmente por objetivo aportar una solución simple, económica y eficaz al problema de la generación de electricidad en las 20 turbomáquinas de doble flujo, que permita evitar los inconvenientes de la técnica conocida.
Ésta tiene por objetivo igualmente la generación de electricidad en una turbomáquina según el principio de cogeneración, sacando partido de la energía térmica disipada en los gases de escape. 25
Ésta tiene también por objetivo la integración de un motor Stirling en una turbomáquina de modo que se reduzca al mínimo el aumento del peso total de la turbomáquina y las dimensiones del motor Stirling y de los medios asociados de generación de energía eléctrica.
El documento DE-A1-30 31 872 describe un motor Stirling. 30
El documento GB-A-2 041 090 describe una turbomáquina que corresponde sensiblemente al preámbulo de la reivindicación 1.
A tal efecto, la invención propone una turbomáquina de doble flujo, que comprende un cárter de escape unido por brazos radiales a paredes cilíndricas coaxiales delimitando venas de circulación de un flujo primario de gases de 35
escape calientes y de un flujo secundario de aire frío, caracterizada porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial y que comprende dos intercambiadores térmicos de calentamiento y de enfriamiento respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial que interceptan respectivamente el flujo 5 primario y el flujo secundario.
El motor térmico de ciclo de Stirling, denominado habitualmente « motor Stirling » o motor de aire caliente, permite sacar partido de la diferencia de temperatura entre el flujo primario de gases de escape y el flujo secundario de aire frío para generar energía mecánica, susceptible de ser convertida en energía 10 eléctrica. Este tipo de motor se caracteriza por un rendimiento muy bueno que puede llegar al 40 % del máximo teórico, por una fiabilidad muy buena y una gran longevidad.
El ciclo teórico de funcionamiento de un motor de este tipo comprende cuatro fases sucesivas: una fase de calentamiento isócoro seguida de una fase de 15 expansión isoterma del fluido de trabajo, y después una fase de enfriamiento isócoro seguida de una fase de compresión isoterma del fluido de trabajo.
El motor Stirling comprende igualmente una cámara de trabajo situada fuera de los flujos primario y secundario y en la cual está dispuesto un pistón desplazador asociado a un elemento móvil de un sistema de generación de 20 energía, comunicando la cámara de trabajo con los intercambiadores para la circulación del fluido de trabajo.
Ventajosamente, los intercambiadores de calentamiento y de enfriamiento están unidos por un regenerador destinado a acumular energía térmica durante la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling y ceder energía térmica durante la fase 25 de recalentamiento.
Este regenerador es un intercambiador que forma acumulador térmico que permite aumentar el rendimiento del motor Stirling.
De acuerdo con otra característica de la invención, el regenerador está alojado en una parte del brazo radial situada entre las venas de circulación del 30 flujo primario y del flujo secundario, con el fin de que los intercambios térmicos entre el fluido de trabajo y el regenerador no resulten perturbados por los flujos primario y secundario.
Por razones análogas, la cámara de trabajo está dispuesta preferentemente en la extremidad radialmente interna del brazo radial y radialmente al interior de la pared cilíndrica interna que delimita la vena de circulación del flujo primario.
De acuerdo con un modo de realización preferido de la invención, el pistón desplazador está dispuesto de manera que divide de modo estanco la cámara de 5 trabajo en dos zonas, de las cuales la primera está unida al intercambiador de calentamiento y la segunda está unida al intercambiador de enfriamiento por un conducto térmicamente aislado que atraviesa el intercambiador de calentamiento y el regenerador.
Esta disposición permite reducir las dimensiones del dispositivo al tiempo 10 que habilita un espacio para el regenerador.
En una primera forma de realización, el pistón desplazador comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en la dirección de desplazamiento del pistón y en el interior de la cual está montado un imán permanente fijo, estando provisto el pistón desplazador de un arrollamiento de hilo eléctrico dispuesto alrededor de 15 la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica para el arrastre del pistón desplazador.
En otra forma de realización, la cámara de trabajo comprende una rueda unida por bielas al elemento móvil del sistema de generación de energía y al pistón desplazador. 20
Ventajosamente, el motor Stirling está sellado y lleno de un gas inerte a presión tal como el helio. En variante, éste puede comprender una llegada de gas a presión, por ejemplo a la cámara de trabajo o a uno de los intercambiadores, con el objeto de aumentar la presión del fluido de trabajo y por consiguiente, el rendimiento del motor Stirling. 25
Ventajosamente, el brazo radial comprende aletas de intercambio térmico en su superficie externa y/o interna situada en las venas de circulación de los flujos primario y secundario.
En el modo de realización preferido de la invención, el elemento móvil del sistema de generación de energía está soportado por un medio elástico de 30 solicitación fijado a la cámara de trabajo y comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en su dirección de desplazamiento y en el interior de la cual está dispuesto un imán permanente fijo, estando provisto el elemento móvil de un arrollamiento de hilo eléctrico dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y
unido a una interfaz eléctrica para permitir una conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.
La invención permite, así, generar electricidad, para facilitar la alimentación eléctrica de por ejemplo una aeronave, y esto sin tener que tomar energía mecánica útil de la turbomáquina. 5
La invención se comprenderá mejor y otros detalles, ventajas y características de ésta se pondrán de manifiesto de modo más claro con la lectura de la descripción que sigue hecha a título de ejemplo no limitativo, refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:
- - la figura 1 es una vista esquemática en corte axial de una turbomáquina de 10 acuerdo con la invención;
- - la figura 2 es una vista esquemática parcial en corte longitudinal y a escala mayor de un brazo de cárter de escape de la turbomáquina de la figura 1;
- - la figura 3 es una vista semejante a la figura 2 e ilustra la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling del motor térmico integrado en el brazo de 15 cárter de escape;
- - la figura 4 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de compresión del ciclo de Stirling;
- - la figura 5 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de calentamiento del ciclo de Stirling; 20
- - la figura 6 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de expansión del ciclo de Stirling;
- - la figura 7 es una vista semejante a la figura 2 y representa una variante de la invención.
La figura 1 representa un turborreactor de doble flujo 10 y que comprende 25 una barquilla 12 en el interior de la cual una rueda soplante 14 está montada aguas arriba de un cuerpo de motor 16 que comprende esencialmente, de aguas arriba a aguas abajo, un compresor 20, una cámara de combustión 21, una turbina 22, un cárter de escape 24 y un cono de eyección 26.
La rueda de soplante 14 es arrastrada en rotación por la turbina 22 del 30 turborreactor, de un modo bien conocido por el especialista en la materia. Durante el funcionamiento del motor, la soplante 14 genera un flujo de aire secundario A, que circula hacia la parte trasera alrededor del turborreactor en un conducto de soplante 18, y que facilita una parte del empuje del motor. Una parte del aire entrante en el motor forma un flujo primario B que alimenta el compresor 35
de entrada 20 del turborreactor, y después es mezclado con carburante en la cámara de combustión 21. Los gases de combustión que salen de la cámara de combustión arrastran la turbina 22 y después son eyectados entre dos paredes coaxiales 32, 34 del cárter de escape 24 y salen del turborreactor fluyendo a lo largo del cono de eyección 26. 5
El conducto de soplante 18 está formado por dos paredes coaxiales sensiblemente cilíndricas, respectivamente interna 28 y externa 30. La pared interna 28 del conducto de soplante es denominada generalmente I.F.D. (Inner Fan Duct) mientras que la pared externa 30 es denominada generalmente O.F.D. (Outer Fan Duct) y está rodeada por la barquilla 12. 10
Las dos paredes coaxiales, respectivamente interna 32 y externa 34, del cárter de escape 24 están unidas por brazos radiales estructurales 36.
En el ejemplo representado, cada brazo radial 36 del cárter de escape 24 une las paredes coaxiales 32, 34 de este cárter a las paredes cilíndricas 28, 30 del conducto de soplante 18, de modo que una parte del brazo 36 intercepta el flujo 15 primario B mientras que otra parte de este brazo intercepta el flujo secundario A. En variante, el brazo 36 puede no extenderse hasta la pared externa 30.
Ventajosamente, en la superficie externa de los brazos radiales 36, a nivel de las partes de estos brazos que interceptan los flujos primario B y secundario A están formadas aletas 38 que interceptan los flujos primario B y secundario A, y 20 están representadas esquemáticamente en la figura 1. Su función se explicará en lo que sigue.
La figura 2 es una vista en corte y a escala mayor de un brazo radial 36 del cárter de escape 24, en el cual están alojados los intercambiadores térmicos de un motor de ciclo de Stirling. 25
Como se explicará en lo que sigue, este motor está concebido y dispuesto para utilizar lo mejor posible el espacio disponible en el brazo radial 36 y sacar partido de la diferencia de temperatura entre los gases calientes del flujo primario B y el aire frío del flujo secundario A para generar energía eléctrica o mecánica.
En una parte radialmente interna con respecto al eje de la turbomáquina, el 30 motor Stirling comprende una cámara de trabajo 40 en la cual están dispuestos un pistón desplazador 42 y un pistón de trabajo 44 formado por un elemento móvil de un sistema de generación de energía eléctrica.
El pistón desplazador 42 está alojado en un conducto 46, por ejemplo de forma cilíndrica y que se extiende de aguas arriba a aguas abajo, y está formado 35
por una pieza de forma complementaria a la del conducto, para deslizar en este conducto de modo estanco impidiendo la circulación de aire alrededor del pistón en el conducto. El pistón desplazador 42 comprende una cavidad cilíndrica abierta, por ejemplo en el lado aguas arriba del pistón, y de eje paralelo a, y preferentemente confundido con, el eje del pistón, en la cual está montado un 5 imán cilíndrico 48 fijado a una pared de la cámara de trabajo 40. El pistón comprende igualmente un bobinado eléctrico 50 dispuesto alrededor de la cavidad y destinado a permitir un arrastre electromagnético del pistón 42 en traslación en su conducto 46, estando unido este bobinado a una interfaz eléctrica 52 que comprende por ejemplo un circuito desfasador. 10
El conducto 46 del pistón desplazador 42 está montado en un orificio de forma correspondiente de una placa 54 unida a las paredes del brazo radial 36 de modo que el pistón desplazador 42 y la placa 54 dividen de manera estanca la cámara de trabajo 40 en una zona aguas arriba 56 que comunica con un intercambiador de calentamiento 58 situado en la parte del brazo que intercepta el 15 flujo primario B, y una zona aguas abajo 60 que comunica con un intercambiador de enfriamiento 62 dispuesto en la parte del brazo que intercepta el flujo secundario A, situada en la extremidad radialmente externa de este brazo 36. La cámara de trabajo 40 y los intercambiadores de calentamiento 58 y de enfriamiento 62 contienen un fluido de trabajo, tal como aire o un gas inerte a 20 presión, que el pistón desplazador 42 empuja alternativamente hacia el intercambiador de calentamiento 58 o hacia el intercambiador de enfriamiento 62, como se precisará en lo que sigue. La disposición de los intercambiadores de calentamiento 58 y de enfriamiento 62, que están respectivamente en contacto térmico con el flujo primario B de gases calientes y con el flujo secundario A de 25 aire frío, permite un intercambio de calor del flujo primario hacia el fluido de trabajo cuando éste se encuentra en el intercambiador de calentamiento 58, y del fluido de trabajo hacia el flujo secundario, cuando el fluido de trabajo se encuentra en el intercambiador de enfriamiento 62.
Con el fin de reducir al mínimo los intercambios de calor antes citados y 30 como ya ha sido mencionado refiriéndose a la figura 1, el brazo radial 36 puede comprender aletas 38 en su superficie externa y aletas en su superficie interna. Las aletas externas se extienden según una dirección sensiblemente paralela al eje de la turbomáquina con el fin de reducir lo mejor posible su impacto
aerodinámico sobre la circulación de los flujos primario y secundario. Estas aletas 38 permiten igualmente reforzar la rigidez del brazo radial.
En el modo de realización representado en la figura 2, el motor Stirling comprende además un intercambiador térmico 64 de un tipo conocido, denominado regenerador. Este regenerador 64 está formado por ejemplo de 5 espuma o de láminas de metal y está alojado en una parte del brazo radial situada entre las venas de circulación de los flujos primario y secundario, en un espacio 66 denominado habitualmente intervena. Esta disposición permite evitar que los intercambios de calor entre el fluido de trabajo y este regenerador 64 se vean perturbados por intercambios térmicos con los flujos primario y secundario. 10
Es ventajoso que los volúmenes de los intercambiadores 58 y 62 que son volúmenes « muertos », se reduzcan al mínimo y que las superficies de intercambio térmico y el volumen de la cámara de trabajo aumenten.
La cámara de trabajo 40 y el intercambiador de enfriamiento 62 están unidos por un conducto de unión 68 térmicamente aislado, que atraviesa el 15 intercambiador de calentamiento 58 y el regenerador 64. Ventajosamente, el conducto 68 permite también reducir el volumen « muerto » de fluido contenido en los intercambiadores 58 y 62.
La cámara de trabajo 40 comprende un sistema de generación de energía eléctrica de tipo lineal que comprende un pistón cilíndrico hueco 44 abierto hacia 20 aguas abajo, que está soportado por una membrana elástica estanca de solicitación 70. El conjunto formado por el pistón 44 y la membrana elástica 70 forma una pared móvil estanca terminal de la cámara de trabajo 40, de modo que una traslación del pistón 44 hacia aguas arriba o hacia aguas abajo provoca una reducción, respectivamente un incremento, del volumen de la cámara de trabajo 25 40.
Un imán 72, por ejemplo de forma cilíndrica, está fijado a una pared de la cámara de trabajo 40 de manera que se inserta en el pistón cilíndrico 44 del sistema de generación de energía. Este pistón comprende un bobinado eléctrico 74 unido a la interfaz eléctrica 52 con el fin de realizar una conversión de la 30 energía mecánica del pistón 44 en energía eléctrica, cuando éste es desplazado en traslación según su eje, con respecto al imán 72.
El motor Stirling comprende ventajosamente una llegada de fluido a presión 76, unida a una reserva de gas inerte tal como el helio, con una válvula destinada
a las operaciones de mantenimiento, para aumentar la presión del fluido de trabajo y así mejorar el rendimiento energético del motor Stirling.
En funcionamiento, el motor Stirling describe un ciclo termodinámico que comprende cuatro fases representadas respectivamente en las figuras 3 a 6.
En la figura 3, el motor Stirling se encuentra en una fase de enfriamiento 5 isócoro del fluido de trabajo. Durante esta fase, la interfaz eléctrica 52 manda un desplazamiento progresivo 78 del pistón desplazador 42 en traslación hacia aguas arriba, hasta una posición terminal en la que hace sensiblemente tope contra el brazo radial 36 (esta posición del pistón desplazador es visible en la figura 4). Este movimiento del pistón desplazador reduce el volumen de la zona 56 de la 10 cámara de trabajo, y empuja una mayor parte 80 del fluido de trabajo contenido en el intercambiador de calentamiento 58 a través del regenerador 64 y el intercambiador de enfriamiento 62 para llenar la parte aguas abajo de la cámara de trabajo. El fluido de trabajo cede energía térmica al regenerador 64 durante su paso a través de este último, y atraviesa el intercambiador de enfriamiento 62 15 para llegar a la parte aguas abajo de la cámara de trabajo.
El fluido de trabajo experimenta a continuación una fase de compresión isoterma, representada en la figura 4. El volumen ocupado por el fluido de trabajo disminuye a medida que su presión aumenta debido a un desplazamiento hacia aguas arriba 82 del pistón 44 del sistema de generación de energía eléctrica, 20 bajo el efecto de la membrana elástica de solicitación 70, hasta una posición terminal de alejamiento del pistón 44 con respecto a su imán 72 (visible en la figura 5).
A la fase de compresión sucede una fase de calentamiento isócoro del fluido de trabajo, representada en la figura 5, y en el transcurso de la cual la 25 interfaz eléctrica 52 manda una traslación hacia aguas abajo 84 del pistón desplazador 42, hasta una posición terminal de alejamiento de este pistón con respecto a su imán 48, de manera que se reduce el volumen de la zona 60 de la cámara de trabajo, lo que tiende a empujar al menos una parte 86 del fluido de trabajo contenido en el intercambiador de enfriamiento 62 a través del 30 regenerador 64 y el intercambiador de calentamiento 58 hacia la parte aguas arriba 56 de la cámara de trabajo. Durante su paso al interior del regenerador 64, el fluido de trabajo recibe energía térmica almacenada en el regenerador y, por tanto, se encuentra recalentado al llegar al intercambiador de calentamiento 58.
El ciclo de Stirling termina por una fase de expansión isoterma del fluido de trabajo, representada en la figura 6. En el transcurso de esta fase, el volumen del fluido de trabajo aumenta mientras que su presión disminuye. El aumento de volumen de este fluido provoca un desplazamiento hacia aguas abajo 88 del pistón 44 del sistema de generación de energía y de la membrana elástica 70 que 5 le soporta, de modo que el pistón vuelve a la posición que éste ocupa durante la fase de enfriamiento.
En el transcurso de un ciclo de Stirling, el pistón 44 del sistema de generación de energía realiza por tanto un vaivén alrededor de su imán 70, lo que genera energía eléctrica que puede ser recuperada por medio de la interfaz 10 eléctrica 52.
La invención permite por tanto la generación de energía eléctrica a partir de la energía térmica contenida en los gases de escape de una turbomáquina, utilizando un motor térmico de ciclo de Stirling.
La figura 7 representa otro modo de realización de la invención, en el cual 15 el arrastre del pistón desplazador 42 está asegurado por un dispositivo mecánico de un tipo corriente en los motores Stirling. El pistón es una pieza de sección en U abierta hacia aguas abajo y el dispositivo de arrastre de este pistón comprende una rueda 90 que está dispuesta en la cámara de trabajo 40, entre el pistón desplazador 42 y el pistón 44 del sistema de generación de energía, y que está 20 montada rotatoria alrededor de un eje 92 perpendicular a un plano medio del brazo radial 36 y fijado a las paredes de este brazo. La rueda 90 queda así unida al pistón desplazador 42 por una primera biela 94 cuya extremidad aguas arriba está montada en una horquilla 96, o cualquier otro medio análogo, solidario del pistón 42 y dispuesta en su cara aguas abajo, por ejemplo en el centro de esta 25 cara aguas abajo, estando montada la extremidad aguas abajo de la biela 94 en una horquilla 98 o análoga fijada a la periferia de la rueda 90. Esta rueda está unida igualmente al pistón 44 del sistema de generación de energía por una segunda biela 100 cuya extremidad aguas abajo está montada en una horquilla 102 o análoga solidaria de este pistón 44 y dispuesta en su cara aguas arriba, por 30 ejemplo en el centro de esta cara aguas arriba, estando montada la extremidad aguas arriba de la biela 100 en una horquilla 104 o análoga fijada a la rueda 90, por ejemplo a una distancia del centro de la rueda igual a la cuarta parte del radio de esta rueda. Las horquillas de fijación de las primera y segunda bielas 94, 100 a la rueda 90 forman con el centro de la rueda un ángulo de aproximadamente 90 35
grados de modo que el movimiento de la segunda biela 100 presenta un retardo de aproximadamente un cuarto de ciclo con respecto al movimiento de la primera biela 94. La rueda 90 forma igualmente un volante de inercia del sistema de generación de energía.
La invención no está limitada a la generación de energía eléctrica y 5 naturalmente es posible explotar directamente la energía mecánica facilitada por el pistón del sistema de conversión de energía, ya sea para el arrastre de un equipo según un movimiento de vaivén en traslación semejante al movimiento del pistón, o para un arrastre en rotación por la utilización de un sistema de biela y rueda o de biela y manivela por ejemplo, para convertir el movimiento del 10 pistón en movimiento de rotación.
Desde un punto de vista general, la invención permite sacar provecho de la energía térmica perdida en una turbomáquina siguiendo un principio de cogeneración. En un turborreactor de aeronave, por ejemplo, la generación de electricidad necesita en general una toma de energía mecánica a nivel del 15 compresor del turborreactor para alimentar un generador electromecánico. La invención evita tener que realizar esta toma de energía mecánica útil utilizando la energía térmica de los gases de escape, y permite así una mejora del rendimiento del turborreactor, que se traduce en una ganancia de consumo específico de orden del uno porciento. 20
Claims (12)
- REIVINDICACIONES1. Turbomáquina de doble flujo (10), que comprende un cárter de escape (24) unido por brazos radiales (36) a paredes cilíndricas coaxiales (28, 30, 32, 34) que delimitan venas de circulación de un flujo primario (B) de gases de escape calientes y de un flujo secundario (A) de aire frío, estando caracterizada la 5 turbomáquina porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial (36) y que comprende dos intercambiadores térmicos, de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial (36) que interceptan respectivamente el flujo primario (B) y el flujo secundario (A). 10
- 2. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los dos intercambiadores de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) están unidos por un regenerador (64) destinado a acumular energía térmica durante la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling y ceder energía térmica durante la fase de recalentamiento. 15
- 3. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque el regenerador (64) está alojado en una parte del brazo radial (36) situada entre las venas de circulación del flujo primario (B) y del flujo secundario (A).
- 4. Turbomáquina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el motor Stirling comprende una cámara de trabajo (40) 20 situada fuera de los flujos primario (B) y secundario (A) y en la cual está dispuesto un pistón desplazador (42) asociado a un elemento móvil (44) de un sistema de generación de energía, comunicando esta cámara de trabajo (40) con los dos intercambiadores (58, 62) para la circulación de un fluido de trabajo.
- 5. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada 25 porque la cámara de trabajo (40) está dispuesta en la extremidad radialmente interna del motor térmico.
- 6. Turbomáquina (10) de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizada porque el pistón desplazador (42) está dispuesto de manera que divide de modo estanco la cámara de trabajo (40) en dos zonas, de las cuales la 30 primera (56) está unida al intercambiador de calentamiento (58) y la segunda (60) está unida al intercambiador de enfriamiento (62).
- 7. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque la segunda zona (60) está unida al intercambiador de enfriamiento (62)por un conducto térmicamente aislado (68) que atraviesa el intercambiador de calentamiento (58) y el regenerador (64).
- 8. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizada porque el pistón desplazador (42) comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en la dirección de desplazamiento del pistón y en el interior de la 5 cual está montado un imán permanente fijo (48), estando provisto el pistón desplazador de un arrollamiento de hilo eléctrico (50) dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica (52) para el arrastre del pistón desplazador (42).
- 9. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, 10 caracterizada porque la cámara de trabajo (40) comprende una rueda (90) unida al elemento móvil (44) del sistema de generación de energía y al pistón desplazador (42) por bielas (94, 100), para el arrastre del pistón desplazador (42).
- 10. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizada porque el motor Stirling comprende una llegada de gas inerte a 15 presión (76) a la cámara de trabajo (40) o a uno de los intercambiadores (58, 62).
- 11. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizada porque el elemento móvil (44) del sistema de generación de energía está soportado por un medio elástico de solicitación (70) fijado a la cámara de trabajo (40) y comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en su dirección 20 de desplazamiento y en el interior de la cual está dispuesto un imán permanente fijo (72), estando provisto el elemento móvil (44) de un arrollamiento de hilo eléctrico (74) dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica (52) para permitir una conversión de la energía mecánica en energía eléctrica. 25
- 12. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el brazo radial (36) comprende aletas de intercambio térmico (38) en su superficie externa y/o interna situada en las venas de circulación de los flujos primario (B) y secundario (A).30
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| JPH01151724A (ja) * | 1987-12-08 | 1989-06-14 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | スターリングエンジンとガスタービンの複合機関 |
| CA2046797A1 (en) * | 1990-08-01 | 1992-02-02 | Franklin D. Parsons | Heat exchange arrangement in a gas turbine engine fan duct for cooling hot bleed air |
| US5269133A (en) * | 1991-06-18 | 1993-12-14 | General Electric Company | Heat exchanger for cooling a gas turbine |
| US5376827A (en) * | 1993-05-27 | 1994-12-27 | General Electric Company | Integrated turbine-generator |
| JP3365005B2 (ja) * | 1993-10-26 | 2003-01-08 | 石川島播磨重工業株式会社 | タービン静翼の冷却装置 |
| GB2301632B (en) * | 1995-03-18 | 1998-06-24 | Rolls Royce Plc | Aircraft compound cycle propulsion engine |
| US6430931B1 (en) * | 1997-10-22 | 2002-08-13 | General Electric Company | Gas turbine in-line intercooler |
| TW426798B (en) * | 1998-02-06 | 2001-03-21 | Sanyo Electric Co | Stirling apparatus |
| JP2001073873A (ja) * | 1999-09-07 | 2001-03-21 | Yoshihiko Haramura | 遊星歯車を用いてディスプレーサを駆動するスターリングサイクル機器 |
| AU2001213231A1 (en) * | 2000-11-10 | 2002-05-21 | Marek Kovac | Bypass gas turbine engine and cooling method for working fluid |
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