ES2643041T3

ES2643041T3 - Turbomáquina con cámara de detonación y vehículo volador provisto de tal turbomáquina

Info

Publication number: ES2643041T3
Application number: ES12290159.8T
Authority: ES
Inventors: Françoise Falempin; Bruno Le Naour
Original assignee: MBDA France SAS
Current assignee: MBDA France SAS
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2012-05-09
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-09
Also published as: WO2012156597A1; FR2975434B1; JP2014517194A; FR2975434A1; US9556794B2; EP2525062A1; PL2525062T3; UA115033C2; RU2013151841A; JP5985613B2; RU2597735C2; US20140245714A1; EP2525062B1

Description

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DESCRIPCION

Turbomaquina con camara de detonacion y vehiculo volador provisto de tal turbomaquina.

La presente invencion se refiere a una turbomaquina con camara de detonacion, asi como a un vehiculo volador, en particular un avion, que esta provisto de tal turbomaquina.

Mas concretamente, la presente invencion esta referida a todo tipo de turbomaquina, tal como un turborreactor, un turbohelice, un turbogenerador o una turbina de gas, que usualmente incluye al menos, en el sentido de flujo de los gases, un compresor, una camara de combustion con aptitud para generar un flujo de gases calientes a partir de una mezcla de aire proveniente de un flujo de aire captado y de un combustible, y una turbina que gira arrastrada por este flujo de gases calientes y que arrastra dicho compresor.

Asi, una turbomaquina recupera, por mediacion de la turbina, energia calorifica de los gases procedentes de la combustion realizada en la camara de combustion, con el proposito de arrastrar el compresor, asi como unos accesorios que son necesarios para el correcto funcionamiento de la maquina (bombas, reguladores,...).

Usualmente, esta camara de combustion que esta destinada a generar un flujo de gases calientes es, generalmente, una camara de combustion a presion constante.

Es conocido, por lo demas:

- por el documento GB 1069217, un motor que comprende una camara de combustion anular que permite generar una produccion continua de gases calientes a partir de una mezcla detonante de combustible y de aire;

- por el documento US 2010/0050592, un motor de onda de detonacion continua;

- por el documento US 2009/0193786, un sistema y un metodo para generar una detonacion continua en una turbina de gas; y

- por el documento WO 2011/037597, un sistema y un metodo de combustion, que especialmente comprende una camara de combustion anular que genera una onda de detonacion continua.

La presente invencion tiene por objeto perfeccionar una turbomaquina de este tipo, especialmente con el fin de aumentar su rendimiento.

Para este fin, de acuerdo con la invencion, dicha turbomaquina del tipo de las que incluyen al menos, en el sentido de flujo de los gases, un compresor, una camara que comprende medios con aptitud para generar gases calientes a partir de una mezcla de aire proveniente de un flujo de aire captado y de un combustible, y una turbina que gira arrastrada por dichos gases calientes y que arrastra dicho compresor, incluyendo dicha camara un motor de onda de detonacion continua, provisto de una camara de detonacion anular y de medios asociados (sistema de inyeccion, medios de cebado) que permiten generar una produccion continua de gases calientes a partir de una mezcla detonante de combustible y de aire, estableciendose dicho motor de onda de detonacion continua en orden a formar, a partir de dicho flujo de aire captado, un primer flujo, que penetra en dicha camara de detonacion y que es utilizado por dicho motor, y un segundo flujo que la circunda,

es destacable por el hecho de que dicha turbomaquina incluye, ademas, medios auxiliares para mezclar los gases calientes procedentes de la camara de detonacion con dicho segundo flujo de aire antes de dirigirlos hacia la turbina, y por el hecho de que el sistema de inyeccion inyecta el combustible separadamente del aire y de manera directa en la camara de detonacion.

De este modo, de acuerdo con la presente invencion, se sustituye, en una turbomaquina (turborreactor, turbohelice, turbina de gas, turbogenerador), la usual camara de combustion a presion constante por un motor del tipo de onda de detonacion continua, que se concreta a continuacion. Ademas, de acuerdo con la invencion, se desvia una parte del aire fresco captado (aire entrante) alrededor de la camara de detonacion, con el fin de hacer funcionar esta ultima a niveles de riqueza suficientes para asegurar un funcionamiento estable y una optima eficiencia termodinamica. Seguidamente, se mezcla este aire desviado (o derivado) con los gases calientes procedentes de la camara de detonacion, en orden a limitar la temperatura de los gases que van a arrastrar la turbina. A tal efecto, se ha previsto preferentemente un sistema eyector/mezclador que permite la dilucion de los gases calientes salientes de la camara de detonacion y que confiere, al aire fresco derivado, una parte de su cantidad de movimiento, con el fin de obtener, en una distancia relativamente corta, una mezcla de gases que presenta una temperatura compatible con la durabilidad de la turbina.

Usualmente, un motor de onda de detonacion continua, de tipo CDWE («Continuous Detonation Wave Engine» en ingles), comprende una camara anular en la que se genera una produccion continua de gases calientes procedentes de ondas de detonacion autosustentadas, segun se concreta a continuacion. Se obtiene asi, al igual que para una camara de combustion a presion constante, un generador de gases calientes que constituyen, nada mas salir de la camara de detonacion, un flujo supersonico cuyas caracteristicas son relativamente uniformes.

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En cambio, desde el punto de vista del ciclo termodinamico, la detonacion conforme a la presente invencion presenta potencialmente un rendimiento del 15 al 25 % superior al de una combustion a presion constante. Ademas, con respecto a una camara de combustion a presion constante de tipo motor de detonacion pulsada (PDE), no se tiene que tratar el problema del intensisimo entorno vibratorio generado, a priori, por tal motor de detonacion pulsada. En efecto, en el caso del motor CDWE, el flujo en su salida es relativamente uniforme (aunque supersonico) y no genera bajas frecuencias catastroficas para el ruido y el entorno que experimenta el resto (equipo, pasajeros) del vehiculo equipado con la turbomaquina.

La sustitucion conforme a la invencion de una camara de combustion usual a presion constante por un motor de tipo CDWE provisto de una camara de detonacion permite, especialmente, obtener las siguientes ventajas, segun se concreta seguidamente:

- a causa de una menor necesidad de relacion de compresion -a priori, dos a tres veces menos a iguales prestaciones- la posibilidad de simplificar y reducir las etapas de compresor y, por tanto, de la turbina, y reducir asi los costes de desarrollo y de produccion, al tiempo que se reduce la masa; y

- para una complejidad y prestaciones equivalentes del o de los compresores (y, por tanto, de la o las turbinas), a causa de la mejor eficiencia del ciclo termodinamico, la posibilidad de reducir sensiblemente el consumo de combustible (15 al 20 %) y, con ello, las emisiones de CO2. Se notara tambien que la expansion casi instantanea de los gases calientes detras de la onda de detonacion permite, pese a muy elevadas temperaturas maximas alcanzadas, no producir practicamente oxidos de nitrogeno (NOx).

En una forma particular de realizacion, dicha turbomaquina puede incluir, ademas:

- un primer compresor adicional que se establece aguas abajo de dicho compresor, en orden a comprimir dicho segundo flujo de aire; y/o

- un segundo compresor adicional que se establece aguas abajo de dicho compresor y aguas arriba de dicha camara de detonacion, en orden a comprimir dicho primer flujo de aire antes de que penetre en esta ultima.

Esta forma particular de realizacion permite especialmente asegurar mas facilmente el desacoplo entre el compresor y la camara de detonacion de la turbomaquina, en particular para evitar una ascension de las ondas de detonacion o de ondas de compresion hasta el compresor.

Por otro lado, de manera ventajosa, dicha turbomaquina puede incluir una pluralidad de camaras de detonacion anulares, tales como la antedicha, que se establecen de manera concentrica. Esto permite crear unas optimas condiciones de funcionamiento en un amplio margen de riqueza de conjunto alimentando con combustible un numero mas o menos grande de estas camaras concentricas y, por tanto, limitar el choque de arranque repartiendo en el tiempo el encendido de cada camara.

Adicionalmente, la turbomaquina puede comprender, ventajosamente, al menos un circuito de refrigeracion de dicha camara de detonacion por el que puede circular combustible antes de su inyeccion en esta ultima. Preferentemente, dicho circuito de refrigeracion discurre a lo largo de al menos una pared lateral de dicha camara de detonacion, en al menos una parte de su longitud.

De este modo, se puede refrigerar la camara de detonacion con el concurso de una parte o de la totalidad del combustible antes de inyectarlo en dicha camara. Esto permite asegurar la resistencia termica de la camara de detonacion, al propio tiempo que se vaporiza al menos una parte del combustible que ha de inyectarse en el transcurso de su circulacion por dicho circuito. Una inyeccion directa del combustible prevaporizado garantiza la iniciacion y la estabilidad de la detonacion de la mezcla detonante combustible-aire. Asimismo, se previenen problemas relacionados con los retardos de evaporacion de las gotas de combustibles y de reaccion quimica.

La presente invencion se puede aplicar en todo tipo de turbomaquina: turborreactor, turbohelice, turbogenerador, turbina de gas. Ademas, puede ser llevada a la practica:

- en una turbomaquina usual del tipo de flujo simple, que comprende un flujo unico. En este caso, dicho motor de onda de detonacion continua se establece en orden a actuar sobre dicho flujo unico; o

- en una maquina usual del tipo de doble flujo, que comprende un flujo primario y un flujo secundario. En este caso, dicho motor CDWE se establece en orden a actuar sobre dicho flujo primario.

Asimismo, la presente invencion se refiere a un vehiculo volador, en particular un avion, que esta provisto de al menos una turbomaquina tal como la antedicha.

Adicionalmente, la presente invencion se refiere a un sistema de generacion de energia que esta instalado en tierra, y que esta dotado de al menos una turbomaquina de este tipo.

Mediante la figura unica del adjunto dibujo se comprendera perfectamente el modo en que se puede realizar la invencion. Esta unica figura es una vista esquematica parcial en seccion de una turbomaquina definida de manera

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general, en la que se aplica la presente invencion.

La turbomaquina 1 representada esquematica y parcialmente en la figura presenta un eje 2 y usualmente comprende, en el sentido de flujo 12 de los gases, aguas abajo de una entrada de aire (no representada), cuyo flujo de aire captado se ilustra mediante una flecha E:

- uno o varios compresores 3 usuales;

- una camara 4 con aptitud para generar gases calientes a partir de una mezcla de aire proveniente de dicho flujo de aire captado E y de un combustible usual;

- una o varias turbinas usuales 5 que giran arrastradas por dichos gases calientes y que arrastran dicho o dichos compresores 3, asi como unos accesorios usuales (no representados) que son necesarios para el correcto funcionamiento de la turbomaquina 1 (bombas reguladores,...); y

- medios 13 (tobera) que permiten el escape de los gases, segun se ilustra mediante una flecha G.

No se prolongara la descripcion, a continuacion, de todos estos elementos que son bien conocidos y que usualmente pueden realizarse de diferentes maneras. Esta presentacion general permite mostrar que la presente invencion se puede aplicar en cualquier tipo de turbomaquina 1 que presente las anteriores caracteristicas generales. Se puede aplicar, especialmente, en un turborreactor, en un turbohelice, en una turbina de gas o en un turbogenerador.

Se hace notar que, en la presente descripcion, las nociones de aguas arriba y aguas abajo estan definidas con relacion al sentido de flujo 12 de los gases.

De acuerdo con la invencion, con el proposito de perfeccionar dicha turbomaquina 1:

- dicha camara 4 esta provista de un motor de onda de detonacion continua 6 de tipo CDWE (“Continuous Detonation Wave Engine” en ingles). Este motor 6 comprende, en especial, una camara de detonacion anular 7 que se establece de manera concentrica con relacion al eje 2, asi como medios asociados 8 y 9 (concretados a continuacion) necesarios para su funcionamiento, y tiene aptitud para generar una produccion continua de gases calientes a partir de una mezcla detonante de combustible y de aire;

- dicho motor de onda de detonacion continua 6 se establece dentro de dicha camara 4 aguas abajo de dicho compresor 3, en orden a utilizar una parte del flujo de aire captado E. Mas concretamente, esta disposicion permite formar, a partir de dicho flujo de aire captado E:

• un primer flujo de aire F1 que penetra en dicha camara de detonacion 7 y que es utilizado por dicho motor 6 para formar gases calientes (flujo F3); y

• un segundo flujo de aire F2 que circunda dicha camara de detonacion 7; y

- dicha turbomaquina 1 incluye, ademas, un sistema eyector/mezclador 10 (no representado especificamente) para mezclar los gases calientes (flujo F3) procedentes de la camara de detonacion 7 con dicho segundo flujo de aire F2 antes de dirigir esta mezcla hacia la turbina 5 para arrastrarla.

De este modo, la presente invencion preve sustituir, en una turbomaquina 1 (turborreactor, turboeje, turbina de gas, turbogenerador), el usual generador de gases calientes, a saber, una camara de combustion a presion constante, por un motor CDWE 6 del tipo de onda de detonacion continua.

Usualmente, tal motor CDWE 6 comprende una camara anular 7 en la que se genera una produccion continua de gases calientes procedentes de ondas de detonacion autosustentadas. En un motor 6 de este tipo, un sistema de inyeccion 8 inyecta combustible de manera permanente en la camara anular 7. Este combustible se mezcla con el aire fresco de dicho flujo F1 para formar una mezcla detonante. Entonces, se ceba en esta mezcla detonante una onda de detonacion con el concurso de medios de cebado 9 usuales (puente explosivo con filamento metalico, tubo de predetonacion...). Esta onda se propaga de manera circunferencial por la mezcla detonante fresca, en tanto que los gases calientes que produce se expansionan en el resto de la camara anular 7. Puesto que la inyeccion de la mezcla detonante fresca es permanente, cuando la onda regresa a su punto de partida, halla nuevamente mezcla fresca y prosigue su movimiento circunferencial, el cual se hace, pues, continuo. En realidad, aguas abajo de la onda de detonacion, y despues de la expansion inicial de los gases calientes, se desarrolla una capa de mezcla fresca que, por estar en contacto con los gases calientes y bajo ciertas condiciones, va a dar lugar a una nueva onda de detonacion autoiniciada. Se obtiene asi una camara anular 7 en la que una serie de ondas de detonacion circunferenciales que progresan a la frecuencia de varios kHz (hasta 30 kHz) produce gases calientes que se expansionan hacia el extremo aguas abajo abierto 14 de la camara 7.

De este modo, de acuerdo con la invencion, se utiliza una parte F1 del aire fresco captado E en orden a hacer funcionar el motor 6 en niveles de riqueza suficientes para asegurar un funcionamiento estable y una optima eficiencia termodinamica.

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Ademas, el sistema eyector/mezclador 10 mezcla los gases calientes F3 procedentes de la camara de detonacion 7 con dicho segundo flujo F2 (de aire fno), en orden a limitar la temperatura de los gases (mezcla F2 y F3) que van a arrastrar la turbina 5. Este sistema eyector/mezclador 10 esta determinado en orden a permitir la dilucion de los gases calientes F3 salientes de la camara de detonacion 7 y a conferir, al aire fresco F2 derivado, una parte de su cantidad de movimiento, con el fin de obtener, en una distancia relativamente corta, una mezcla de gases que presenta una temperatura compatible con la durabilidad de la turbina 5. De este modo, estamos en condiciones de hacer funcionar la camara de detonacion 7 a una riqueza suficiente para obtener un funcionamiento estable y eficaz (con condiciones cercanas a las condiciones Chapman-Jouguet), al propio tiempo que se mantiene una temperatura suficientemente baja en la entrada de la turbina 5 para asegurar su resistencia termica.

Merced al conjunto de las caracterfsticas anteriores, se obtiene, pues, al igual que para una camara de combustion a presion constante, una generacion continua de gases calientes que constituyen, nada mas salir de la camara de detonacion 7, un flujo supersonico cuyas caracterfsticas son relativamente uniformes.

En cambio, desde el punto de vista del ciclo termodinamico, la detonacion puesta en practica por el motor 6 presenta potencialmente un rendimiento del 15 al 25 % superior al de una combustion a presion constante.

La sustitucion conforme a la invencion de una camara de combustion usual a presion constante por un motor 6 de tipo CDWE provisto de una camara de detonacion 7 permite, especialmente, obtener las siguientes ventajas:

- a causa de una menor necesidad de relacion de compresion -a priori, dos a tres veces menos a iguales prestaciones- la posibilidad de simplificar y reducir las etapas del compresor 3 y, por tanto, de la turbina 5, y reducir asf los costes de desarrollo y de produccion de la turbomaquina 1, al tiempo que se reduce su masa; y

- para una complejidad y prestaciones equivalentes del o de los compresores 3 (y, por tanto, de la o las turbinas 5), a causa de la mejor eficiencia del ciclo termodinamico, la posibilidad de reducir sensiblemente el consumo de combustible (15 al 20 %) y, con ello, las emisiones de CO2. Se notara tambien que la expansion casi instantanea de los gases calientes detras de la onda de detonacion permite, pese a las muy elevadas temperaturas maximas alcanzadas, no producir practicamente oxidos de nitrogeno (NOx).

Por otro lado, el sistema de inyeccion 8 inyecta el usual combustible separadamente del aire (flujo F1). Por lo tanto, no se preve inyeccion en premezcla, lo cual permite evitar todo riesgo de inflamacion aguas arriba de la camara de detonacion 7. Adicionalmente, en el caso de un combustible almacenable tal como un hidrocarburo lfquido, cabe igualmente prever un circuito regenerativo (no representado) que permita prevaporizar el combustible (antes de su inyeccion) y, asf, obtener condiciones de mezcla y de detonacion satisfactorias sin premezcla. Preferentemente, este circuito regenerativo (o de refrigeracion), por el que circula combustible, discurre a lo largo de al menos una pared lateral de dicha camara de detonacion, en al menos una parte de su longitud.

Por otro lado, cabe igualmente prever un sistema de inyeccion de aire (que se materializa, por ejemplo, en forma de una rendija anular determinante de un canal de alimentacion de aire) en la entrada de la camara de detonacion 7, que permita realizar un desacoplo entre esta camara 7 y la parte aguas arriba.

En una forma particular de realizacion, dicha turbomaquina 1 incluye, ademas, al menos un compresor adicional 11 (o compresor de sobrealimentacion) que se establece aguas abajo de dicho compresor 3 y aguas arriba de dicha camara de detonacion 7 (en el sentido de flujo 12), en orden a comprimir dicho flujo de aire F1 antes de que penetre en esta ultima.

Esta forma particular de realizacion permite especialmente asegurar mas facilmente el desacoplo entre el compresor 3 y la camara de detonacion 7, en particular para evitar una ascension de las ondas de detonacion o de ondas de compresion hasta el compresor 3.

Adicionalmente, dicha turbomaquina 1 puede incluir, ademas, al menos otro compresor de sobrealimentacion o compresor adicional (no representado), que se establece en orden a actuar sobre dicho flujo de aire F2 que circunda la camara de detonacion 7.

Por otro lado, en otra forma de realizacion, dicha turbomaquina 1 puede comprender una pluralidad (dos o mas) de motores 6 (tal como el antedicho) y, por tanto, una pluralidad de camaras de detonacion 7 que se establecen de manera concentrica entre sf, con relacion al eje 2. Esto permite, especialmente:

- crear unas optimas condiciones de funcionamiento en un amplio margen de riquezas. Y es que, para una camara de detonacion 7 dada, es posible alcanzar muy buenas prestaciones dentro de un campo limitado de riqueza inyectada (velocidad de onda muy cercana a la velocidad Chapman-Jouguet en las condiciones en cuestion), pero, en general, con prestaciones muy reducidas para otras riquezas. Asf pues, previendo varias camaras de detonacion 7 concentricas, que ocasionalmente presenten caracterfsticas diferentes, se pueden obtener unas buenas prestaciones, en un amplio margen de riqueza de conjunto, alimentando con combustible un numero mas o menos grande de estas camaras concentricas 7; y

- limitar el choque de arranque repartiendo en el tiempo el encendido de cada camara 7.

La presente invencion se puede aplicar en todo tipo de turbomaquina 1. Asi, se puede aplicar, segun se representa en la figura, en una turbomaquina 1 del tipo de flujo simple, que comprende un unico flujo de aire E. En este caso, dicho motor 6 y, por tanto, dicha camara de detonacion 7 se establecen en orden a actuar sobre dicho flujo unico E, 5 segun se describe anteriormente.

Asimismo, la presente invencion se puede aplicar en una turbomaquina usual del tipo de doble flujo, que comprende un flujo primario y un flujo secundario. En una turbomaquina de este tipo, el aire precomprimido no pasa integramente por el motor, sino que una parte (flujo frio o flujo primario) lo circunda por su periferia hasta la tobera donde es eyectado con los gases calientes (flujo caliente o flujo primario). En tal aplicacion, dicho motor 6 y, por 10 tanto, dicha camara de detonacion 7 se establecen en orden a actuar unicamente sobre dicho flujo primario.

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REIVINDICACIONES

1. Turbomaquina del tipo de las que incluyen al menos, en el sentido de flujo (12) de los gases, un compresor (3), una camara (4) que comprende medios con aptitud para generar gases calientes a partir de una mezcla de aire proveniente de un flujo de aire captado y de un combustible, y una turbina (5) que gira arrastrada por dichos gases calientes y que arrastra dicho compresor (3), incluyendo dicha camara (4) un motor de onda de detonacion continua (6), provisto de una camara de detonacion anular (7) y de medios asociados (8, 9) que permiten generar una produccion continua de gases calientes a partir de una mezcla detonante de combustible y de aire, estableciendose dicho motor de onda de detonacion continua (6) en orden a formar, a partir de dicho flujo de aire captado (E), un primer flujo (F1), que penetra en dicha camara de detonacion (7) y que es utilizado por dicho motor (6), y un segundo flujo (F2) que la circunda,

caracterizada por que dicha turbomaquina (1) incluye, ademas, medios auxiliares (10) para mezclar los gases calientes (F3) procedentes de la camara de detonacion (7) con dicho segundo flujo de aire (F2) antes de dirigirlos hacia la turbina (5), y por que el sistema de inyeccion (8) inyecta el combustible separadamente del aire y de manera directa en la camara de detonacion (7).
2. Turbomaquina segun la reivindicacion 1,

caracterizada por que dichos medios auxiliares (10) incluyen un sistema eyector/mezclador que permite la dilucion de los gases calientes (F3) y la entrega, al aire fresco de dicho segundo flujo de aire (F2), de una parte de su cantidad de movimiento, con el fin de obtener una mezcla de gases que presenta una temperatura compatible con la durabilidad de la turbina (5).
3. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 y 2,

caracterizado por que incluye al menos un compresor adicional (11) que se establece aguas abajo de dicho compresor (3) y aguas arriba de dicha camara de detonacion (7), en orden a comprimir dicho primer flujo de aire (F1) antes de que penetre en esta ultima.
4. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizada por que incluye al menos un compresor adicional que se establece aguas abajo de dicho compresor (3) en orden a comprimir dicho segundo flujo de aire (F2).
5. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizada por que incluye una pluralidad de motores (6), cuyas camaras de detonacion (7) se establecen de manera concentrica.
6. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 5,

caracterizada por que incluye al menos un circuito de refrigeracion de dicha camara de detonacion por el que circula combustible liquido, que permite prevaporizar el combustible antes de su inyeccion en la camara de detonacion.
7. Turbomaquina segun la reivindicacion 6,

caracterizada por que dicho circuito de refrigeracion discurre a lo largo de al menos una pared lateral de dicha camara de detonacion, en al menos una parte de su longitud.
8. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizada por que es del tipo de flujo simple, comprendiendo un unico flujo (E), y por que dicho motor de onda de detonacion continua (6) se establece en orden a actuar sobre dicho flujo unico (E).
9. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizada por que es del tipo de doble flujo, comprendiendo un flujo primario y un flujo secundario, y por que dicho motor de onda de detonacion continua (6) se establece en orden a actuar sobre dicho flujo primario.
10. Vehiculo volador, en particular un avion,

caracterizado por que esta provisto de al menos una turbomaquina (1) tal como la especificada bajo una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
11. Sistema de generacion de energia,

caracterizado por que esta provisto de al menos una turbomaquina (1) tal como la especificada bajo una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.