ES2620522T3 - Arquitectura de doble cuerpo de turbomotor con compresor de alta presión unido a la turbina de baja presión - Google Patents
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Abstract
Turbomotor (10, 100) que comprende un compresor de baja presión (12), un compresor de alta presión (14), una turbina de baja presión (20), una turbina de alta presión (18), y medios de regulación (30) para regular la velocidad de rotación de la turbina de baja presión (20) a una velocidad sensiblemente constante, en el cual la turbina de baja presión (20) está acoplada por un primer árbol (24) al compresor de alta presión (14) mientras que la turbina de alta presión (18) está acoplada por un segundo árbol (26) al compresor de baja presión (12), atravesando el primer árbol (24) coaxialmente al segundo árbol (26) y definiendo el primer y el segundo árbol (24, 26) una dirección axial (X), caracterizado por que el compresor de alta presión (14), el compresor de baja presión (12), la turbina de alta presión (18) y la turbina de baja presión (20) están dispuestos en este orden a lo largo de la dirección axial (X).
Description
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DESCRIPCION
Arquitectura de doble cuerpo de turbomotor con compresor de alta presion unido a la turbina de baja presion Ambito de la invencion
La invencion concierne a la estructura interna de un turbomotor y de modo mas particular a la estructura interna de un turbomotor de helicoptero.
Se indicara que el termino « turborreactor » designa un aparato con turbina de gas que facilita por reaccion a la eyeccion a gran velocidad de gases calientes, un empuje necesario para la propulsion mientras que el termino « turbomotor » designa un aparato con turbina de gas que arrastra a un arbol motor en rotacion. Por ejemplo, turbomotores son utilizados como motor para helicopteros, navfos, trenes, o tambien como motor industrial. Los turbopropulsores (turbomotor que arrastra a una helice) son igualmente turbomotores utilizados como motor de avion.
Estado de la tecnica anterior
Un turbomotor clasico comprende generalmente un compresor de baja presion y un compresor de alta presion dispuesto aguas abajo, en el sentido de la circulacion de los gases en el seno del turbomotor, del compresor de baja presion. En ciertas condiciones de utilizacion, aparece un fenomeno de bombeo cuando la presion a la entrada del compresor de alta presion es superior a la presion a la salida del compresor de baja presion. El funcionamiento del turbomotor se hace inestable, y puede conducir hasta una impulsion de los gases por la entrada del compresor de baja presion.
Una estructura clasica de turborreactor del tipo de doble cuerpo, que comprende un cuerpo de baja presion (compresor de baja presion acoplado por un arbol a una turbina de baja presion) y un cuerpo de alta presion (compresor de alta presion acoplado por otro arbol a una turbina de alta presion, quedando enmarcados el compresor de alta presion y la turbina de alta presion, por una parte por el compresor de baja presion y, por otra, por la turbina de baja presion), permite evitar este fenomeno de bombeo. Sin embargo, tal estructura de turborreactor es diffcilmente adaptable a los turbomotores porque en funcionamiento normal, la tasa de compresion de un turborreactor de doble cuerpo es demasiado elevada con respecto a la tasa de compresion impuesta a un turbomotor en funcionamiento normal. En efecto, la tasa de compresion de un turborreactor de doble cuerpo es generalmente del orden de 30 a 40 (por ejemplo en un turborreactor de avion) mientras que la tasa de compresion de un turbomotor es generalmente inferior a 20 (por ejemplo en un turbomotor de helicoptero).
El documento US 4 858 428 divulga un turbomotor tal como el definido por el preambulo de la reivindicacion 1.
Presentacion de la invencion
Un objetivo de la invencion es proponer un turbomotor en el cual el riesgo de aparicion de un fenomeno de bombeo entre el compresor de baja presion y el compresor de alta presion sea reducido o nulo.
La invencion consigue su objetivo proponiendo un turbomotor tal como el definido en la reivindicacion 1. Tal turbomotor comprende un compresor de baja presion, un compresor de alta presion, una turbia de baja presion, una turbina de alta presion, y medios de regulacion para regular la velocidad de rotacion de la turbina de baja presion a una velocidad sensiblemente constante, en el cual la turbina de baja presion esta acoplada por un primer arbol al compresor de alta presion mientras que la turbina de alta presion esta acoplada por un segundo arbol al compresor de baja presion.
Se comprende que el compresor de alta presion esta dispuesto aguas abajo del compresor de baja presion, que la turbina de alta presion esta dispuesta aguas abajo del compresor de alta presion, y que la turbina de baja presion esta dispuesta aguas abajo de la turbina de alta presion. La turbina de alta presion es la primera turbina aguas abajo de una camara de combustion. La camara de combustion esta dispuesta, en el sentido de la circulacion de los gases, entre el compresor de alta presion y la turbina de alta presion. Se comprende igualmente que la turbina de alta presion esta sometida a variaciones de velocidad de rotacion segun que se inyecte mas o menos carburante en la camara de combustion.
De manera general y salvo indicacion contraria, la parte aguas arriba y aguas abajo asf como la entrada y la salida de un elemento estan definidos con respecto al sentido de circulacion de los gases en el seno del turbomotor.
El compresor de alta presion esta montado en el mismo arbol giratorio que la turbina de baja presion mientras que el compresor de baja presion esta montado en el mismo arbol giratorio que la turbina de alta presion. Asf, el compresor de alta presion y la turbina de baja presion giran a una misma velocidad de rotacion mientras que el compresor de baja presion y la turbina de alta presion giran a una misma otra velocidad de rotacion.
El termino « velocidad sensiblemente constante » significa que para una velocidad de funcionamiento predeterminada constante, la velocidad es susceptible de variar como maximo mas o menos un quince por ciento
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(±15%). Por ejemplo, para regular la velocidad de la turbina de baja presion, los medios de regulacion inyectan mas o menos carburante en la camara de combustion, gracias a lo cual el conjunto giratorio que comprende la turbina de alta presion y el compresor de baja presion es acelerado o ralentizado. Por consiguiente, el caudal de gas es mas o menos elevado y permite facilitar la energfa necesaria a la turbina de baja presion para girar a velocidad sensiblemente constante cualquiera que sea el par aplicado al arbol motor del turbomotor.
Gracias a los medios de regulacion, estando el compresor de alta presion acoplado mecanicamente por el primer arbol a la turbina de baja presion, la velocidad del compresor de alta presion es sensiblemente constante. Por otra parte, estando el compresor de baja presion acoplado mecanicamente a la turbina de alta presion por el segundo arbol, las variaciones de velocidad de rotacion de la turbina de alta presion, afectan solamente a la velocidad de rotacion del compresor de baja presion. Asf, la velocidad de rotacion del compresor de alta presion es sensiblemente constante con respecto a la velocidad de rotacion del compresor de baja presion. Por consiguiente, se reducen, o se evitan, los riesgos de bombeo entre los compresores de baja y alta presion. Naturalmente, se comprende que para una velocidad de rotacion predeterminada del compresor de alta presion, la velocidad de rotacion del compresor de baja presion esta comprendida en un intervalo de velocidades de rotacion predeterminado tal que el compresor de alta presion es siempre apto para recibir y comprimir los gases que salen del compresor de baja presion.
En otras palabras, acoplando mecanicamente el compresor de alta presion a la turbina de baja presion y el compresor de baja presion a la turbina de alta presion, y gracias a los medios de regulacion, la velocidad de rotacion del compresor de alta presion es mas estable que la velocidad de rotacion del compresor de baja presion, de modo que el riesgo de sobrepresion entre el compresor de baja presion y el compresor de alta presion es reducido o nulo, reduciendose asf o siendo inexistentes los fenomenos de bombeo.
El primer arbol atraviesa coaxialmente al segundo arbol, definiendo el primer y el segundo arbol una direccion axial, estando dispuestos el compresor de alta presion, el compresor de baja presion, la turbina de alta presion y la turbina de baja presion, en este orden a lo largo de la direccion axial. Esta disposicion corresponde a una primera variante.
En comparacion con los turborreactores de doble cuerpo clasicos, las posiciones de los compresores de alta presion y de baja presion segun la direccion axial estan invertidas mientras que las turbinas de alta y baja presion estan dispuestas en el mismo orden. En esta variante, el primer arbol es central, lo que facilita la conexion a este arbol para la transmision de los esfuerzos motores (es decir toma de fuerza), especialmente en la parte delantera del turbomotor (es decir el lado opuesto a las turbinas con respecto a los compresores segun la direccion axial).
De acuerdo con una segunda variante que no es reivindicada, el segundo arbol atraviesa coaxialmente al primer arbol, definiendo el primer y segundo arbol una direccion axial, estando dispuestos el compresor de baja presion, el compresor de alta presion, la turbina de baja presion y la turbina de alta presion en este orden a lo largo de la direccion axial.
En comparacion con los turborreactores de doble cuerpo clasicos, las posiciones de las turbinas de alta y baja presion segun la direccion axial estan invertidas mientras que los compresores de alta y baja presion estan dispuestos en el mismo orden. En esta segunda variante, la camara de combustion esta ventajosamente dispuesta en la parte trasera del turbomotor (es decir en el lado opuesto a los compresores con respecto a las turbinas). El acceso a la camara de combustion es asf facilitado para su mantenimiento o su reemplazamiento.
Ventajosamente, el turborreactor de acuerdo con la segunda variante comprende un canal de eyeccion de gas dispuesto aguas abajo de la turbina de baja presion, y un conducto de gas que une la salida del compresor de alta presion a una camara de combustion dispuesta aguas arriba de la turbina de alta presion, atravesando el conducto de gas el canal de eyeccion de gas pasando por un intercambiador de calor a fin de transferir calor de los gases que salen de la turbina de baja presion a los gases que circulan por el conducto de gas.
El intercambiador de calor permite un contacto termico entre el conducto de gas y el canal de eyeccion de gas. El intercambiador de calor permite calentar los gases del compresor de alta presion antes de hacerles penetrar en la camara de combustion, lo que permite reducir las perdidas termicas y aumentar el rendimiento del turborreactor.
Preferentemente, el turborreactor de acuerdo con a invencion es un turbomotor de helicoptero.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion y sus ventajas seran comprendidas mejor con la lectura de la descripcion detallada que sigue de diferentes modos de realizacion de la invencion dados a tftulo de ejemplos no limitativos. Esta descripcion hace referencia a las figuras anejas, en las cuales:
- La figura 1 representa esquematicamente un primer modo de realizacion del turbomotor de acuerdo con la invencion, y
- la figura 2 representa esquematicamente un segundo modo de realizacion del turbomotor que no es reivindicado.
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Descripcion detallada de ejemplos de realizacion
La figura 1 representa un primer modo de realizacion del turbomotor de acuerdo con la invencion que corresponde a la primera variante descrita anteriormente. Las flechas representan el sentido de la circulacion de los gases en el seno del turbomotor 10. En el turbomotor 10 entra aire por un canal de entrada de aire 11 y se eyectan gases de combustion por un canal de eyeccion de gas 22. El turbomotor 10 es un turbomotor de helicoptero.
En el sentido de la circulacion de los gases, el turbomotor 10 comprende sucesivamente un compresor de baja presion 12, un compresor de alta presion 14, una camara de combustion 16, una turbina de alta presion 18, y una turbina de baja presion 20. En este ejemplo el compresor de alta presion 14 es un compresor centrifugo mientras que el compresor de baja presion 12 es un compresor axial. Naturalmente, de acuerdo con una variante, el compresor de alta presion puede ser axial y/o el compresor de baja presion puede ser centnfugo. Un conducto de gas 15 une la salida del compresor de alta presion 14 a la entrada de la camara de combustion 16 a fin de llevar el aire comprimido que sale del compresor de alta presion 14 hacia la camara de combustion 16. Se observara que en las figuras 1 y 2, los elementos fijos de los compresores 12 y 14 y de las turbinas 18 y 20 estan rayados mientras que los elementos moviles no estan rayados.
El compresor de alta presion 14 esta acoplado en rotacion con la turbina de baja presion 20 por un primer arbol 24. El compresor de baja presion 12 esta acoplado en rotacion con la turbina de alta presion 18 por un segundo arbol 26. El primer arbol 24 atraviesa coaxialmente al segundo arbol 26, definiendo los primero y segundo arboles 24 y 26 una direccion axial X (o eje X). En este primer modo de realizacion, de izquierda a derecha en la figura 1, el compresor de alta presion 14, el compresor de baja presion 12, la turbina de alta presion 18 y la turbina de baja presion 20 estan dispuestos en este orden a lo largo de la direccion axial X.
El primer arbol 24 unido a la turbina de baja presion 20 es el arbol motor del turbomotor 10. Este primer arbol 24 esta en engranado con un arbol de transmision 28 que arrastra al rotor de un helicoptero (no representado) por ejemplo por medio de un juego de engranajes como esta representado en la figura 1 o directamente (no representado). De acuerdo con una variante, entre el primer arbol 24 y el arbol de transmision 28 esta dispuesto un embrague para el arranque. En este ejemplo, la conexion del primer arbol 24 con el arbol de transmision 28 esta realizada en la parte delantera del turbomotor 10, es decir a la izquierda en la figura 1.
Medios de regulacion 30 regulan la inyeccion de carburante en la camara de combustion 16 a fin de que la turbina de baja presion 20, y por tanto el rotor del helicoptero, giren a velocidad sensiblemente constante, cualquiera que sea el par resistivo aplicado por el rotor de helicoptero sobre el primer arbol 24. Asf, cualquiera que sea la inclinacion de las palas del rotor de helicoptero para los diferentes regfmenes de vuelo del helicoptero, y por tanto cualquiera que sea el par resistivo aplicado por el rotor de helicoptero sobre el primer arbol 24, el citado rotor gira a velocidad constante.
Gracias a los medios de regulacion 30 y al acoplamiento de la turbina de baja presion 20 con el compresor de alta presion 14 a traves del primer arbol 24, el compresor de alta presion 14 gira a velocidad constante. Estando la turbina de alta presion 18 acoplada al compresor de baja presion 12, las variaciones de velocidad de rotacion de la turbina de alta presion 18, debidas a la regulacion de la inyeccion de carburante en la camara de combustion 16, afectan al compresor de baja presion 12. Asf, siempre que el compresor de alta presion 14 funcione normalmente, es decir sea apto para comprimir los gases que salen del compresor de baja presion 12, en todo el intervalo de variacion de la velocidad de rotacion del compresor de baja presion 12 en regimen normal o en regimen intermedio (es decir, regimen parcial o de media potencia), se evitan los fenomenos de bombeo entre los compresores de baja y alta presion 12 y 14.
La figura 2 representa un segundo modo de realizacion del turbomotor correspondiente a la segunda variante anteriormente descrita, no siendo reivindicado este segundo modo de realizacion. Las flechas representan el sentido de circulacion de los gases en el seno del turbomotor 100. Los elementos comunes con el primer modo de realizacion no son descritos de nuevo y conservan sus mismas referencias numericas, no siendo descrito tampoco de nuevo su funcionamiento. De la misma manera que para el primer modo de realizacion, el compresor de baja presion 12 es un compresor axial pero puede ser reemplazado, segun una variante, por un compresor centnfugo. Asimismo, el compresor de alta presion 14 es un compresor centnfugo pero, segun una variante, puede ser reemplazado por un compresor axial.
En el turbomotor 100, el segundo arbol 26 atraviesa coaxialmente al primer arbol 24, definiendo los primero y segundo arboles 24 y 26 la direccion axial X (o eje X). En este segundo modo de realizacion, de izquierda a derecha en la figura 2, el compresor de baja presion 12, el compresor de alta presion 14, la turbina de baja presion 20 y la turbina de alta presion 18 estan dispuestos en este orden a lo lago de la direccion axial X. En este ejemplo, la camara de combustion 16 esta dispuesta en la parte trasera del turbomotor 100, es decir a la derecha en la figura 2.
El conducto de gas 15 atraviesa el canal de eyeccion 22 pasando por un intercambiador de calor 34. Naturalmente, el intercambiador de calor 34 no obtura el canal de eyeccion 22 y los gases se escapan libremente hacia el exterior envolviendo al menos parcialmente al intercambiador de calor 34. Asf, los gases eyectados del turbomotor 100 estan directamente en contacto termico con el intercambiador de calor 34 y transmiten calor a los gases que circulan por el
conducto 15 a traves del intercambiador de calor 34. De acuerdo con una variante, el conducto de gas 15 no atraviesa el canal de eyeccion 22 y no se realiza ninguna transferencia.
Se observara que el canal de entrada de aire 11 y el conducto de gas 15 del primer y del segundo modo de realizacion, y el canal de eyeccion 22 del segundo modo de realizacion no son de simetna de revolucion, lo que 5 permite especialmente instalar el canal de entrada de aire 11 y el conducto de gas 15 en el primer modo de realizacion y la transmision mecanica entre los arboles 24 y 28 en el segundo modo de realizacion. De acuerdo con estas variantes, el canal de entrada de aire 11, el conducto de gas 15 y/o el canal de eyeccion 22 pueden presentar geometnas diferentes, con simetna de revolucion o no.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES1. Turbomotor (10, 100) que comprende un compresor de baja presion (12), un compresor de alta presion (14), una turbina de baja presion (20), una turbina de alta presion (18), y medios de regulacion (30) para regular la velocidad de rotacion de la turbina de baja presion (20) a una velocidad sensiblemente constante, en el cual la turbina de baja 5 presion (20) esta acoplada por un primer arbol (24) al compresor de alta presion (14) mientras que la turbina de alta presion (18) esta acoplada por un segundo arbol (26) al compresor de baja presion (12), atravesando el primer arbol (24) coaxialmente al segundo arbol (26) y definiendo el primer y el segundo arbol (24, 26) una direccion axial (X), caracterizado por que el compresor de alta presion (14), el compresor de baja presion (12), la turbina de alta presion (18) y la turbina de baja presion (20) estan dispuestos en este orden a lo largo de la direccion axial (X).10 2. Turbomotor (10) de acuerdo con la reivindicacion 1 que forma un turbomotor de helicoptero.
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