ES2634028B1 - Gas turbine with two stages of compression and intermediate cooling by means of a refrigerating machine - Google Patents

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ES2634028B1 ES201600171A ES201600171A ES2634028B1 ES 2634028 B1 ES2634028 B1 ES 2634028B1 ES 201600171 A ES201600171 A ES 201600171A ES 201600171 A ES201600171 A ES 201600171A ES 2634028 B1 ES2634028 B1 ES 2634028B1
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Abstract

Turbina de gas con dos etapas de compresión y enfriamiento intermedio mediante máquina frigorífica.#La presente invención se basa pues en una turbina de gas con dos etapas de compresión. Entre éstas dos etapas se intercala un intercambiador de calor, constituido por el evaporador de una máquina frigorífica accionada mecánicamente por la propia turbina, previo uso de una caja reductora de velocidad, con el fin de descender la temperatura del fluido de trabajo de la turbina en su transición hacia la segunda etapa de compresión, lográndose de ese modo llegar a la presión de fluido deseada, a la salida del segundo compresor, realizando un trabajo menor al que se hubiera debido realizar para llevar ese fluido de trabajo hasta a esa misma presión en una única etapa carente de enfriamiento. Esto redunda en una mayor eficiencia de la propia turbina de gas.Gas turbine with two compression stages and intermediate cooling by means of a refrigerating machine. # The present invention is therefore based on a gas turbine with two compression stages. Between these two stages a heat exchanger is inserted, constituted by the evaporator of a refrigerating machine mechanically operated by the turbine itself, prior to the use of a speed reduction box, in order to lower the temperature of the working fluid of the turbine in its transition to the second compression stage, thereby achieving the desired fluid pressure, at the outlet of the second compressor, doing a smaller job than it should have been done to bring that working fluid up to that same pressure in a single stage without cooling. This results in greater efficiency of the gas turbine itself.

Description

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DESCRIPCIÓNDESCRIPTION

Turbina de gas con dos etapas de compresión y enfriamiento intermedio mediante máquina frigorífica.Gas turbine with two stages of compression and intermediate cooling by means of a refrigerating machine.

La presente invención se refiere a una turbina de gas que sigue el ciclo termodinámico de Brayton. Hace uso de una compresión en dos etapas, pudiendo ser el fluido de trabajo enfriado hasta temperaturas incluso menores a las de la propia admisión del primer compresor, en la transición entre la primera y la segunda etapa. Esto se consigue mediante el uso de una máquina frigorífica, accionada por el propio eje de la propia turbina, encargada de absorber parte del calor generado en la primera etapa de compresión, logrando rendimientos sensiblemente mayores a los obtenidos sin este método, e incluso mayores a los obtenidos mediante el uso de los ya conocidos intercambiadores aire-aire aire-liquido u otros sistemas que se mencionarán más adelante.The present invention relates to a gas turbine that follows the Brayton thermodynamic cycle. It makes use of a two-stage compression, the working fluid being cooled to temperatures even lower than those of the first compressor's own admission, in the transition between the first and the second stage. This is achieved through the use of a refrigerating machine, driven by the axis of the turbine itself, responsible for absorbing part of the heat generated in the first stage of compression, achieving significantly higher yields than those obtained without this method, and even greater than those obtained through the use of the already known air-air air-liquid exchangers or other systems that will be mentioned later.

El hecho de que los compresores sean incapaces de realizar procesos adiabáticos reversibles, dado que realizan su labor en un tiempo finito, les impide actuar como sistemas isentrópicos, por lo que a medida que se comprime el fluido de trabajo, este gana temperatura de una forma mayor a la que lo haría si el proceso fuera reversible.The fact that the compressors are unable to perform reversible adiabatic processes, since they perform their work in a finite time, prevents them from acting as isentropic systems, so that as the working fluid is compressed, it gains temperature in a way greater than it would if the process were reversible.

Ésta ganancia térmica es la que motiva la necesidad de dividir la compresión del fluido de trabajo de las turbinas en varias etapas, para así poder bajar su temperatura entre las mismas, logrando necesitar de un menor trabajo para lograr la presión final deseada que si se empleara una única compresión sin refrigeración.This thermal gain is what motivates the need to divide the compression of the working fluid of the turbines in several stages, in order to lower its temperature between them, managing to need less work to achieve the desired final pressure than if it were used A single compression without refrigeration.

Sector de la técnicaTechnical sector

La presente invención se halla encuadrada en el sector de la técnica perteneciente a la industria aeroespacial y a la de producción energética, es decir, los dos sectores donde mayoritariamente se hace uso de las turbinas de gas.The present invention is framed in the sector of the technique belonging to the aerospace industry and energy production, that is, the two sectors where gas turbines are mostly used.

Antecedentes a la invenciónBackground to the invention

Son conocidos diversos sistemas utilizados para lograr un enfriamiento del fluido de trabajo entre las diferentes etapas de compresión de las turbinas de gas. Los hay que se valen de intercambiadores de superficie que producen una cesión de calor entre el fluido presurizado en las etapas precedentes y algún fluido refrigerante, ya sea aire atmosférico, agua, etc. Su objetivo es tratar de acercar la temperatura del fluido presurizado a la temperatura que poseía previamente a su compresión, manteniendo constante su presión, con el fin de reducir el trabajo necesario para volver a incrementar su presión en las etapas posteriores.Various systems used to achieve a cooling of the working fluid between the different compression stages of the gas turbines are known. There are those that use surface exchangers that produce a heat transfer between the pressurized fluid in the preceding stages and some refrigerant fluid, be it atmospheric air, water, etc. Its objective is to try to bring the temperature of the pressurized fluid closer to the temperature it had prior to its compression, keeping its pressure constant, in order to reduce the work necessary to increase its pressure again in the later stages.

Se conocen a su vez diversos tipos de dispositivos para tratar de extraer el calor presente en el fluido de trabajo. Algunos de estos métodos serían los enfriadores evaporativos, que se basan en un filtro húmedo por el que se hace discurrir el fluido de trabajo, en nuestro caso aire, con el fin de que este ceda calor al agua líquida para lograr un cambio de estado.Various types of devices are also known to try to extract the heat present in the working fluid. Some of these methods would be the evaporative coolers, which are based on a wet filter through which the working fluid is run, in our case air, in order for this to give heat to the liquid water to achieve a change of state.

Se conoce también el uso de los sistemas de niebla, que se basan en el mismo principio que los enfriadores evaporativos, con la salvedad de que hacen uso de atomizadores de agua que rocían ésta sobre el fluido de trabajo.It is also known the use of fog systems, which are based on the same principle as evaporative coolers, with the exception that they make use of water sprayers that spray it on the working fluid.

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Asimismo, los sistemas de compresión húmeda por refrigeración mecánica basan su principio de funcionamiento en la inyección de agua atomizada directamente al caudal de fluido de trabajo de la turbina, logrando temperaturas tan bajas como se desee, con la salvedad de que el consumo energético suele hacer este sistema económicamente inviable, así como sus necesidades de espacio.Likewise, wet compression systems by mechanical cooling base their operating principle on the injection of atomized water directly to the turbine's working fluid flow, achieving temperatures as low as desired, with the proviso that energy consumption usually makes this economically unfeasible system, as well as your space needs.

No obstante, la capacidad de extracción térmica de estos métodos se ha demostrado considerablemente mejorable, dado de que en el mejor de los casos tan sólo logran bajar la temperatura del fluido de trabajo de la turbina unas decenas de grados, por lo que se ha ideado un nuevo método, cuyas características son el objeto de la presente invención.However, the thermal extraction capacity of these methods has been shown to be considerably improved, given that in the best case they only manage to lower the temperature of the working fluid of the turbine a few tens of degrees, so it has been devised a new method, whose characteristics are the object of the present invention.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

La turbina de gas es del tipo de las que están constituidas por un sistema de compresión dividido en varias etapas, aplicándose una compresión teóricamente adiabática (según el ciclo Brayton) al fluido de trabajo, aire atmosférico en este caso.The gas turbine is of the type that consists of a compression system divided into several stages, theoretically adiabatic compression (according to the Brayton cycle) being applied to the working fluid, atmospheric air in this case.

No obstante y con ánimo de incrementar la eficiencia del ciclo, mediante la reducción del trabajo que es necesario realizar en la segunda etapa para comprimir el fluido de trabajo hasta la presión deseada, se ha decidido reducir forzosamente la temperatura del mismo a la salida de la primera etapa hasta una temperatura incluso inferior a la que tenía antes de sufrir ninguna transformación.However, and with the aim of increasing the efficiency of the cycle, by reducing the work that is necessary to perform in the second stage to compress the working fluid to the desired pressure, it has been decided to necessarily reduce its temperature at the exit of the first stage until a temperature even lower than it had before undergoing any transformation.

Para la realización de este trabajo, y que tenga sentido desde un punto de vista termodinámico y por ende económico, se ha ideado la utilización de un ciclo frigorífico, siendo accionado mecánicamente el compresor que lo anima mediante el propio eje de la turbina, previa adecuación de su velocidad en un tren de engranajes.For the realization of this work, and that makes sense from a thermodynamic and therefore economic point of view, the use of a refrigeration cycle has been devised, the compressor that animates it being mechanically driven by the turbine shaft itself, prior adaptation of its speed in a gear train.

Haciendo uso del evaporador de la máquina frigorífica como un intercambiador construido en un material con un alto índice de conductividad térmica (entre el fluido de trabajo de la turbina y el fluido refrigerante) y aislado tanto como sea posible del exterior, con el fin de evitar la absorción de calor circundante, podemos lograr enfriar el aire hasta la temperatura deseada.Making use of the evaporator of the refrigerating machine as an exchanger built in a material with a high index of thermal conductivity (between the working fluid of the turbine and the cooling fluid) and insulated as much as possible from the outside, in order to avoid The surrounding heat absorption, we can cool the air to the desired temperature.

Sabiendo que la eficiencia de la máquina frigorífica depende del cociente entre el calor absorbido y la diferencia entre el calor cedido por la máquina y el absorbido, podemos deducir que cuanta más pequeña sea la diferencia entre el calor absorbido y el cedido, mayor será la eficiencia de la máquina, pudiendo sobrepasar holgadamente la unidad.Knowing that the efficiency of the refrigerating machine depends on the ratio between the heat absorbed and the difference between the heat ceded by the machine and the absorbed, we can deduce that the smaller the difference between the heat absorbed and the ceded, the greater the efficiency of the machine, being able to easily exceed the unit.

Aquí es donde cobra especial importancia el papel que realiza el condensador de la máquina frigorífica. Éste debe tener una gran capacidad de cesión de calor, tanto por construcción como por situación, para lograr lo expuesto en el párrafo anterior, ya que cuanto mayor sea la eficiencia de la máquina, menor será el trabajo que tenga que realizar el compresor (ya que este está accionado por la propia turbina), conllevando un mayor rendimiento de la turbina de gas, ya que este depende del trabajo realizado por la turbina, el absorbido por los diferentes compresores, por el compresor de la máquina frigorífica y el calor necesario para hacerla funcionar.This is where the role of the refrigerating machine condenser becomes especially important. This must have a great capacity for heat transfer, both by construction and by situation, to achieve the above in the previous paragraph, since the higher the efficiency of the machine, the less work the compressor has to do (already that this is powered by the turbine itself), leading to a greater performance of the gas turbine, since this depends on the work done by the turbine, the one absorbed by the different compressors, by the compressor of the refrigerating machine and the heat needed to make it work.

Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings

Para mejor compresión de cuanto queda descrito en la presente memoria, se acompañan unos dibujos en los que, tan sólo a título ejemplificativo, se representa un caso práctico de realización de la turbina.For better understanding of what is described herein, some drawings are attached in which, only by way of example, a practical case of the turbine is shown.

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La FIG. 1, muestra esquemáticamente el funcionamiento del sistema. Se puede observar la interacción entre la máquina frigorífica y la turbina de gas, siendo esta ultima la que produce el trabajo necesario para accionar la máquina frigorífica y la primera la que absorbe parte del calor generado en el proceso de compresión del fluido de trabajo de la turbina en su primera etapa de compresión.FIG. 1, schematically shows the operation of the system. The interaction between the refrigerating machine and the gas turbine can be observed, the latter being the one that produces the work necessary to operate the refrigerating machine and the first one that absorbs part of the heat generated in the compression process of the working fluid of the turbine in its first compression stage.

Enumeración de partes:Enumeration of parts:

-(1): Compresor axial- (1): Axial compressor

-(2): Compresor axial- (2): Axial compressor

-(3): Turbina axial- (3): Axial turbine

-(4): Conducciones para el fluido de trabajo de la turbina de gas, representadas por línea de trazo continuo con flechas- (4): Conductions for the working fluid of the gas turbine, represented by a solid line with arrows

-(5): Cámara de combustión- (5): Combustion chamber

-(6): Caja reductora de velocidad- (6): Speed reduction box

-(7): Compresor de la máquina frigorífica- (7): Refrigerator machine compressor

-(8): Conducciones para el fluido de trabajo de la máquina frigorífica, representadas por línea de trazo continuo con flechas- (8): Conduits for the working fluid of the refrigerating machine, represented by a solid line with arrows

-(9): Condensador de la máquina frigorífica- (9): Refrigerator machine condenser

-(10): Depósito de fluido refrigerante- (10): Coolant reservoir

-(11): Válvula de expansión de la máquina frigorífica- (11): Refrigeration machine expansion valve

-(12): Evaporador de la máquina frigorífica/intercambiador de calor- (12): Refrigerator / heat exchanger evaporator

-(13): Eje de la turbina, representado por una línea de trazo discontinuo- (13): Turbine shaft, represented by a dashed line

-(a, [...], k): Puntos con diferente estado termodinámico de los respectivos fluidos de trabajo- (a, [...], k): Points with different thermodynamic status of the respective working fluids

La FIG.2 y la FIG. 3 muestran respectivamente el ciclo termodinámico seguido por la máquina frigorífica y por la turbina. Ambos ciclos están representados por sendos diagramas de Presión-Volumen. Cabe matizar que se han representado como dos ciclos reversibles, por lo que el funcionamiento real de ambas máquinas distara sustancialmente de lo aquí plasmado. No obstante, dada la imposibilidad de representar ciclos irreversibles, se ha optado por incluir estas dos modelizaciones, con ánimo puramente explicativo.FIG. 2 and FIG. 3 show respectively the thermodynamic cycle followed by the refrigerating machine and the turbine. Both cycles are represented by two Pressure-Volume diagrams. It should be noted that they have been represented as two reversible cycles, so that the actual operation of both machines will be substantially different from what is embodied here. However, given the impossibility of representing irreversible cycles, it has been decided to include these two modeling, with a purely explanatory spirit.

Los ciclos se han representado mediante unos puntos, nombrados desde (a) hasta (k), que se corresponden con el estado termodinámico del fluido de trabajo de cada una de las máquinas en los diferentes puntos de las mismas. Puede observarse también esta designación en la FIG. 1, haciendo referencia al estado en el que se encuentra el fluido de trabajo según la posición que ocupe respecto al sistema.The cycles have been represented by points, named from (a) to (k), which correspond to the thermodynamic state of the working fluid of each of the machines at the different points thereof. This designation can also be seen in FIG. 1, referring to the state in which the working fluid is located according to the position it occupies with respect to the system.

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Enumeración de puntos de las FIG. 2 y FIG. 3:Enumeration of points of FIG. 2 and FIG. 3:

-(a, [...], k): Puntos con diferente estado termodinámico de los respectivos fluidos de trabajo- (a, [...], k): Points with different thermodynamic status of the respective working fluids

Descripción de una realización preferidaDescription of a preferred embodiment

Atendiendo a la FIG. 1 podemos observar cómo la turbina consta de un primer compresor (1), un compresor secundario (2), un intercambiador de calor, que hace las veces de evaporador de la máquina frigorífica (12), de contacto indirecto superficial y de flujo cruzado (el fluido comprimido en el primer compresor (1) de la turbina de gas cede calor a al fluido refrigerante de la máquina frigorífica cuando este se encuentra en cambio de fase, de liquida a gaseosa), una cámara de combustión (5) donde se eleva la temperatura del fluido de trabajo de la turbina y con ello su entalpía y por último la turbina (3), discurriendo el fluido de trabajo entre las diferentes partes que constituyen el sistema por sus propios conductos (4) y girando todo el conjunto compresor (1 y 2) y turbina (3) solidariamente gracias a un eje (13).In accordance with FIG. 1 we can observe how the turbine consists of a first compressor (1), a secondary compressor (2), a heat exchanger, which acts as an evaporator of the refrigerating machine (12), indirect surface contact and cross flow ( The compressed fluid in the first compressor (1) of the gas turbine gives heat to the refrigerant fluid of the refrigerating machine when it is in phase change, from liquid to gas), a combustion chamber (5) where it rises the temperature of the working fluid of the turbine and with it its enthalpy and finally the turbine (3), the working fluid flowing between the different parts that constitute the system through its own ducts (4) and rotating the entire compressor assembly ( 1 and 2) and turbine (3) in solidarity thanks to an axis (13).

La máquina frigorífica consta de un compresor (7), que eleva la presión del fluido de trabajo, en este caso fluido refrigerante, cuando éste se encuentra totalmente en fase gaseosa, discurriendo el mismo por unas líneas o conducciones (8). El compresor (7) es accionado mecánicamente por la turbina, transformando la velocidad de giro de su eje (13) en una más adecuada para el funcionamiento de la máquina frigorífica mediante el uso de una caja de velocidades (6).The refrigerating machine consists of a compressor (7), which raises the pressure of the working fluid, in this case cooling fluid, when it is completely in the gas phase, running it through lines or pipes (8). The compressor (7) is mechanically driven by the turbine, transforming the speed of rotation of its axis (13) into a more suitable for the operation of the refrigerating machine by using a gearbox (6).

El fluido refrigerante viaja desde el compresor (7) al condensador (9), siendo ahí donde cede calor al exterior, con el consiguiente cambio de fase gaseosa a liquida. El gas licuado se recoge en un depósito (10), viajando luego por las mencionadas líneas (8) a una válvula de expansión (11), donde su presión decrece bruscamente, propiciando el cambio de fase que se dará posteriormente en el evaporador (12). Éste toma el calor necesario para cambiar a fase gaseosa el fluido refrigerante del fluido de trabajo comprimido en la primera etapa de compresión la turbina (1). Una vez el fluido refrigerante abandona el evaporador (12) viaja de nuevo al compresor (7), donde se le volverá a imprimir el trabajo necesario para completar el ciclo termodinámico de nuevo.The refrigerant fluid travels from the compressor (7) to the condenser (9), being there where it gives heat to the outside, with the consequent change of gas phase to liquid. The liquefied gas is collected in a tank (10), then traveling along the mentioned lines (8) to an expansion valve (11), where its pressure decreases sharply, leading to the phase change that will occur later in the evaporator (12 ). This takes the heat necessary to change the refrigerant fluid of the compressed working fluid in the first stage of compression to the turbine (1). Once the refrigerant fluid leaves the evaporator (12) it travels back to the compressor (7), where it will reprint the work necessary to complete the thermodynamic cycle again.

Atendiendo a la FIG. 3 es posible observar los trabajos a los que se ve sometido el fluido de trabajo a su paso por la turbina en un ciclo pretendidamente reversible. El ciclo comienza en (a) donde el fluido accede al sistema, como se puede ver también en la FIG. 1 (pueden haber o no difusores a la entrada de la turbina, que deceleren el flujo de aire incrementando su presión, dependiendo de la aplicación de la misma) y sufre una primera transformación, es comprimido adiabáticamente por el primer compresor (1) hasta llegar a (b). En el tramo comprendido entre (b) y (c) el fluido de trabajo es enfriado isobáricamente cediendo un calor Q2’ en el intercambiador de calor (12). De (c) a (d) el fluido de trabajo vuelve a ser comprimido adiabáticamente, ésta vez por el segundo compresor de la turbina de gas (2) viajando en todo momento por las citadas conducciones (4). Entre (d) y (e) el fluido de trabajo absorbe un calor Q1 en la cámara de combustión (5), normalmente en forma de quema de combustible. Por último, en el tramo comprendido entre (e) y (f) el fluido de trabajo experimenta una expansión adiabática en la turbina (3) hasta recuperar su presión inicial (Pa = Pf). Cabe mencionar que ésta expansión, la acaecida entre (e) y (f) es la única del ciclo que produce trabajo en lugar de consumirlo. Cabe reseñar que no se tiene en cuenta si tras la salida del fluido de trabajo de la turbina pudiera existir una tobera, dependerá de la aplicación a la que vaya destinado el uso de la turbina.In accordance with FIG. 3 it is possible to observe the works to which the working fluid is subjected to as it passes through the turbine in a supposedly reversible cycle. The cycle begins at (a) where the fluid accesses the system, as can also be seen in FIG. 1 (there may or may not be diffusers at the inlet of the turbine, which slow down the air flow by increasing its pressure, depending on the application of the turbine) and undergoes a first transformation, it is adiabaticly compressed by the first compressor (1) until it reaches a (b). In the section between (b) and (c) the working fluid is cooled isobarically yielding a heat Q2 ’in the heat exchanger (12). From (c) to (d) the working fluid is again compressed adiabatically, this time by the second compressor of the gas turbine (2) traveling at all times through the said conduits (4). Between (d) and (e) the working fluid absorbs a heat Q1 in the combustion chamber (5), usually in the form of fuel burning. Finally, in the section between (e) and (f) the working fluid undergoes an adiabatic expansion in the turbine (3) until its initial pressure is recovered (Pa = Pf). It is worth mentioning that this expansion, the one between (e) and (f) is the only one in the cycle that produces work instead of consuming it. It should be noted that it is not taken into account if a nozzle could exist after the working fluid has left the turbine, it will depend on the application to which the use of the turbine is intended.

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Atendiendo a la FIG. 2 podemos observar una modelización (a trabajos reversibles) de la máquina frigorífica aquí descrita. El ciclo comienza en (h) donde tras su salida del evaporador (12), que hace las veces de intercambiador en el la turbina de gas, el fluido refrigerante se encuentra en estado gaseoso y ocupando su máximo volumen posible (su densidad es la mínima que va a tener en todo el ciclo). Entre (h) e (i) el fluido, ahora en estado necesariamente gaseoso, para evitar daños en el compresor (7), atraviesa el compresor (7) donde sufre una compresión adiabática la cual conlleva, por tanto, un incremento en su temperatura. Entre (i) y (k) el fluido cede un calor Q1 en el condensador, de forma isoterma, volviendo además a estado líquido, siendo este a su vez recogido en un depósito (10). A su paso por la válvula de expansión (11) el fluido sufre un abrupto descenso en su presión que queda reflejado en el intervalo comprendido entre (k) y (g) como una expansión adiabática. Por último, el fluido refrigerante atraviesa el evaporador de la máquina frigorífica (12) donde al actuar como intercambiador en la turbina de gas recoge el calor cedido por el fluido de trabajo de la turbina, Q2’, y cambia completamente de fase liquida a gaseosa, lo cual se refleja en el diagrama como una expansión isoterma comprendida entre (g) y (h).In accordance with FIG. 2 we can observe a modeling (to reversible works) of the refrigerating machine described here. The cycle begins in (h) where after its exit from the evaporator (12), which acts as an exchanger in the gas turbine, the cooling fluid is in a gaseous state and occupying its maximum possible volume (its density is the minimum that you will have throughout the cycle). Between (h) and (i) the fluid, now in a necessarily gaseous state, to avoid damage to the compressor (7), passes through the compressor (7) where it undergoes an adiabatic compression which therefore leads to an increase in its temperature . Between (i) and (k) the fluid gives a heat Q1 in the condenser, in an isothermal manner, also returning to a liquid state, this being in turn collected in a tank (10). As it passes through the expansion valve (11), the fluid undergoes an abrupt decrease in its pressure, which is reflected in the interval between (k) and (g) as an adiabatic expansion. Finally, the refrigerant fluid passes through the evaporator of the refrigerating machine (12) where, acting as an exchanger in the gas turbine, it collects the heat transferred by the turbine's working fluid, Q2 ', and changes completely from liquid to gaseous phase , which is reflected in the diagram as an isothermal expansion between (g) and (h).

Como se puede observar, el sistema se muestra en su estado más elemental, básico. Puede ser mejorado considerablemente mediante la pertinente adición de las mejoras típicas tanto del ciclo frigorífico como del ciclo de turbina de gas, como el recalentamiento en ésta última, por ejemplo. No obstante, se ha decidido omitir todas las posibles mejoras, reduciendo el sistema a su estado más primario, en aras de simplificar la redacción y comprensión de la presente invención. Se ha pasado por alto también la descripción de una hipotética asociación en paralelo varias etapas en la compresión y máquinas frigoríficas, por la redundancia que ello supone.As you can see, the system is shown in its most elementary, basic state. It can be considerably improved by the relevant addition of the typical improvements of both the refrigeration cycle and the gas turbine cycle, such as overheating in the latter, for example. However, it has been decided to omit all possible improvements, reducing the system to its most primary state, in order to simplify the drafting and understanding of the present invention. The description of a hypothetical parallel association of several stages in compression and refrigeration machines has also been overlooked, due to the redundancy that this entails.

Es evidente que la presente invención tendría un amplísimo campo de aplicación, tanto en la industria aeroespacial como en la de producción energética, pudiendo, en éste último caso complementar a las centrales de ciclo combinado o a las de cogeneración en su búsqueda de la mayor eficiencia posible. Por su parte, en la industria aeroespacial tendría gran aplicación a la hora de crear motores más eficientes, con menores consumos y emisiones de gases nocivos directamente a la atmósfera. Redundaría a su vez en un aumento de la autonomía de servicio de las citadas aeronaves, abaratando el coste del transporte de mercancías o pasajeros.It is evident that the present invention would have a wide range of application, both in the aerospace and energy production industries, being able, in the latter case, to complement the combined cycle or cogeneration plants in their search for the highest possible efficiency . For its part, in the aerospace industry would have great application when creating more efficient engines, with lower consumption and emissions of harmful gases directly into the atmosphere. It would in turn increase the service autonomy of the aforementioned aircraft, reducing the cost of transporting goods or passengers.

Claims (15)

55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 3535 4040 45Four. Five 50fifty REIVINDICACIONES 1. Turbina de gas con al menos dos etapas de compresión y al menos una etapa intermedia de enfriamiento, que comprende un primer compresor axial (1) y un segundo compresor axial (2), accionados por el eje (13) de una turbina axial (3), caracterizada porque la etapa de enfriamiento intermedio es realizada mediante una máquina frigorífica dispuesta entre ambos compresores axiales (1, 2), en donde la máquina frigorífica comprende al menos un compresor (7), al menos una caja de velocidades (6), al menos un condensador (9), al menos una válvula de expansión (11), y al menos un evaporador (12), ven donde el fluido de trabajo de la máquina frigorífica pasa por el compresor (7), dicho compresor (7) está actuado por la caja de velocidades (6) también accionada por el eje (13) de la turbina axial (3), dicho compresor (7) está conectado al condensador (9) a cuya salida se dispone la válvula de expansión (11) tras la que se dispone el evaporador (12) de la máquina frigorífica, el cual intercambia calor con el fluido de la turbina de gas entre ambos compresores axiales (1, 2).1. Gas turbine with at least two compression stages and at least one intermediate cooling stage, comprising a first axial compressor (1) and a second axial compressor (2), driven by the axis (13) of an axial turbine (3), characterized in that the intermediate cooling stage is carried out by means of a refrigerating machine arranged between both axial compressors (1, 2), wherein the refrigerating machine comprises at least one compressor (7), at least one gearbox (6 ), at least one condenser (9), at least one expansion valve (11), and at least one evaporator (12), see where the working fluid of the refrigerating machine passes through the compressor (7), said compressor ( 7) is actuated by the gearbox (6) also actuated by the axis (13) of the axial turbine (3), said compressor (7) is connected to the condenser (9) at whose outlet the expansion valve ( 11) after which the evaporator (12) of the refrigerating machine is arranged, the c This exchanges heat with the gas turbine fluid between both axial compressors (1, 2). 2. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque entre el condensador (9), y la válvula de expansión (11) comprende al menos un depósito (10) del fluido refrigerante.2. A gas turbine according to claim 1, characterized in that between the condenser (9) and the expansion valve (11) it comprises at least one reservoir (10) of the cooling fluid. 3. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos uno de los compresores axiales (1, 2) aplica una compresión adiabática del fluido de trabajo según el ciclo Brayton.3. Gas turbine according to claim 1, characterized in that at least one of the axial compressors (1, 2) applies an adiabatic compression of the working fluid according to the Brayton cycle. 4. Turbina de gas según la reivindicación 3, caracterizada porque el fluido de trabajo es aire atmosférico.4. Gas turbine according to claim 3, characterized in that the working fluid is atmospheric air. 5. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque el compresor (7) de la máquina frigorífica es accionado mecánicamente mediante el propio eje de la turbina axial (3), previa adecuación de su velocidad mediante una caja de velocidades (6).5. Gas turbine according to claim 1, characterized in that the compressor (7) of the refrigerating machine is mechanically driven by the axis of the axial turbine (3), after adjusting its speed by means of a gearbox (6). 6. Turbina de gas según la reivindicación 5, caracterizada porque la caja de velocidades (6) es un tren de engranajes.6. Gas turbine according to claim 5, characterized in that the gearbox (6) is a gear train. 7. Turbina de gas según la reivindicación 5, caracterizada porque el evaporador (12) es un intercambiador de calor de contacto indirecto superficial y de flujo cruzado.7. Gas turbine according to claim 5, characterized in that the evaporator (12) is an indirect surface contact and cross flow heat exchanger. 8. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende una cámara de combustión (5) entre el segundo compresor axial (2) y la turbina axial (3) donde se eleva la temperatura del fluido de trabajo.8. Gas turbine according to claim 1, characterized in that it comprises a combustion chamber (5) between the second axial compressor (2) and the axial turbine (3) where the temperature of the working fluid is raised. 9. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque el conjunto del primer y segundo compresor axial (1, 2) y la turbina axial (3) giran solidariamente gracias a un eje (13).9. Gas turbine according to claim 1, characterized in that the assembly of the first and second axial compressor (1, 2) and the axial turbine (3) rotate in solidarity thanks to an axis (13). 10. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende a la entrada al menos un difusor que decelera el flujo de trabajo incrementando su presión.10. Gas turbine according to claim 1, characterized in that it comprises at least one diffuser at the inlet that slows down the workflow by increasing its pressure. 11. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende a la salida al menos una tobera.11. Gas turbine according to claim 1, characterized in that it comprises at least one nozzle at the outlet. 12. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque comprende varias etapas de compresión y máquinas frigoríficas, asociadas en paralelo.12. Gas turbine according to claim 1, characterized in that it comprises several compression stages and refrigerating machines, associated in parallel. 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 3030 13. Método de operación de una turbina de gas según las reivindicaciones 1 ó 2, con al menos dos compresores axiales (1, 2) accionados por el eje (13) de una turbina axial (3), caracterizado por que comprende una máquina frigorífica de ciclo cerrado con las etapas de:13. Method of operation of a gas turbine according to claims 1 or 2, with at least two axial compressors (1, 2) driven by the shaft (13) of an axial turbine (3), characterized in that it comprises a refrigerating machine closed cycle with the stages of: i) aumentar la presión de un fluido refrigerante por un compresor (7), actuado por una caja de velocidades (6) accionada por el eje (13);i) increase the pressure of a refrigerant fluid by a compressor (7), operated by a gearbox (6) driven by the shaft (13); ii) licuar el fluido refrigerante en un condensador (9) que cede calor al exterior;ii) liquefy the cooling fluid in a condenser (9) that gives heat to the outside; iii) disponer el fluido refrigerante en un deposito (10) cuya salida comprende una válvula de expansión (11) de reducción de la presión del fluido de trabajo;iii) arranging the refrigerant fluid in a tank (10) whose outlet comprises an expansion valve (11) for reducing the working fluid pressure; iv) evaporar el fluido refrigerante en un evaporador (12), captando el calor del fluido de la turbina (3) entre los dos compresores (1 y 2).iv) evaporate the cooling fluid in an evaporator (12), capturing the heat of the turbine fluid (3) between the two compressors (1 and 2). 14. Método de operación de una turbina de gas según la reivindicación 13 en donde:14. Method of operation of a gas turbine according to claim 13 wherein: i) el fluido refrigerante viaja por unas conducciones (8) desde el compresor (7) al condensador (9), en donde cede calor al exterior hasta producirse un cambio de fase gaseosa a liquida;i) the refrigerant fluid travels through pipes (8) from the compressor (7) to the condenser (9), where heat is transferred to the outside until a change from gas phase to liquid occurs; ii) el fluido refrigerante licuado es recogido en un depósito (10), viajando por unas mencionadas conducciones (8) hasta una válvula de expansión (11), en donde su presión decrece bruscamente, propiciando el cambio de fase posterior en el evaporador (12).ii) the liquefied refrigerant fluid is collected in a tank (10), traveling through said conduits (8) to an expansion valve (11), where its pressure decreases sharply, leading to the change of subsequent phase in the evaporator (12 ). 15. Método de operación de una turbina de gas según la reivindicación 14 en donde:15. Method of operation of a gas turbine according to claim 14 wherein: - el fluido refrigerante, a su paso por la válvula de expansión (11), sufre un abrupto descenso en su presión según una expansión adiabática.- the refrigerant fluid, as it passes through the expansion valve (11), undergoes an abrupt decrease in its pressure according to an adiabatic expansion.
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