ES2649019T3 - Procedimiento de eyección de gases de escape de turbina de gas y conjunto de escape de configuración optimizada - Google Patents

Procedimiento de eyección de gases de escape de turbina de gas y conjunto de escape de configuración optimizada Download PDF

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ES2649019T3 ES13706619.7T ES13706619T ES2649019T3 ES 2649019 T3 ES2649019 T3 ES 2649019T3 ES 13706619 T ES13706619 T ES 13706619T ES 2649019 T3 ES2649019 T3 ES 2649019T3
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Alexandre BRISSON
Guy CRABE
Jacques DEMOLIS
Laurent HOUSSAYE
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Abstract

Procedimiento de eyección de gases de escape de una turbina de gas que incluye un compartimento motor (Mb) y una tobera de escape (2) de un flujo primario de gases calientes (Fp), así como entradas (E1) de flujos secundarios de aire fresco (Fs) al compartimento motor (Mb) de equipos del motor, y dotada de entradas (E1a, E1b) de flujos secundarios de aire fresco (Fs) para ventilar el compartimento, refrigerar el compartimento motor y el flujo de gas primario, prolongándose la tobera (2) en un eyector (3) que la rodea con un índice de recubrimiento (Lr/h) determinado para conjuntamente formar una vena de escape de los gases, entre la tobera (2) y el eyector (3) queda determinada una abertura perimetral (1), caracterizado por que la posición y el ángulo en el centro (C) de al menos un sector (21; 21a, 21b, 21c) de la abertura perimetral (1) susceptible de constituir una zona de reingestión del flujo primario (Fp) al interior del compartimento motor (Mb) se determinan por correlación de las interacciones entre los flujos secundarios (Fs) y el flujo primario (Fp), a partir de los parámetros de movimiento giratorio y de velocidad del aire a la entrada de la tobera (2), de las geometrías de la vena de escape (2, 3) y del compartimento motor (Mb), así como de la geometría y de la posición de las entradas (E1a, E1b) de flujos secundarios (Fs), y por que esta abertura perimetral se cierra entonces en el (los) sector(es) angular(es) (21; 21a, 21b, 21c) así identificado(s) y abarca al menos sensiblemente 30 grados.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento de eyeccion de gases de escape de turbina de gas y conjunto de escape de configuracion optimizada Campo tecnico
La invencion se refiere a un procedimiento de eyeccion de gases de escape de turbina de gas, asf como a un conjunto de escape que presenta una ligazon entre una tobera y un eyector de configuracion apta para llevar a la practica este procedimiento.
Se refiere el campo de la invencion a las turbinas de gas y, mas en particular, a los medios dedicados al escape de los gases emitidos por estas turbinas, segun se describe en el documento EP 1780124 A.
Los motores de helicopteros incluyen, como es convencional, un generador de gas (conjunto de compresor, camara de combustion y turbina), que suministra un flujo de gas de gran energfa cinetica a partir de una mezcla de combustible y de aire a presion inyectada en la camara de combustion, y una turbina que gira arrastrada por el flujo de gas para, por intermedio de un tren de engranajes, entregar potencia mecanica en un arbol de salida.
Esta turbina, llamada de potencia, esta acoplada a una tobera de escape, prolongada a su vez en un eyector, estando el conjunto destinado a mantener la presion estatica a la salida de la turbina libre en un nivel bajo y a limitar las perdidas de presion total. Asf, se ve mejorado el rendimiento del conjunto turbina libre y escape, y se incrementa la potencia mecanica transmitida al arbol de salida. Por otro lado, ventajosamente, el eyector puede estar acodado para desviar la salida del flujo gaseoso de la vigueta de soporte o del rotor de cola del helicoptero.
Estado de la tecnica
Con objeto de ventilar y de refrigerar los equipos (bomba, alternador, cajas electricas, etc.) del motor M, cualquiera que sea el estado de funcionamiento del conjunto helicoptero y motor, el esquema en seccion de la figura 1 ilustra la utilizacion de flujos secundarios de aire fresco Fs, provenientes del exterior a presion ambiente por intermedio de unos pasos de entrada E1a, E1b del capo motor Mc y circulantes por el compartimento motor Mb. Los flujos secundarios Fs circulan a lo largo del motor M, asf como a lo largo de la tobera primaria 2. En el extremo posterior de la turbina de gas, estos flujos Fs son aspirados, al menos parcialmente, a traves de de una abertura perimetral 1 entre el extremo aguas abajo de la tobera 2 y el extremo aguas arriba del eyector 3 que la rodea a distancia. Los flujos secundarios Fs son generados por el efecto de arrastre del flujo primario Fp caliente saliente de la tobera 2, alrededor del cono 4, asf como por el efecto de depresion originado por la forma del eyector 3. La forma del extremo aguas arriba del eyector 3 favorece la estabilidad de la aspiracion de los flujos secundarios originada por estos dos efectos. La forma del extremo aguas arriba del eyector 3 en trompa es un ejemplo de ello.
El funcionamiento nominal de un eyector es el de permitir una aspiracion de aire fresco por la abertura 1 determinada entre este eyector 3 y la tobera 2. Ahora bien, dependiendo de los regfmenes del motor (despegue, fases de transicion, regimen de busqueda, aterrizaje, etc.) y de las condiciones de vuelo, esta misma abertura 1 puede ser franqueada -en sentido inverso- por aire primario caliente Fp el cual, entonces, es parcialmente impelido, segun las flechas Fr, hacia el compartimento motor Mb.
En este caso, el compartimento motor Mb y los equipos, en lugar de ser refrigerados, son calentados. Ademas, el gasto de aire fresco secundario aspirado se ve disminuido entonces y, en consecuencia, se atenua el enfriamiento de los gases calientes del flujo primario a la salida del escape.
Por otro lado, el movimiento giratorio del aire a la salida de la turbina lleva consigo el del aire aspirado en el flujo secundario FS a traves de la abertura perimetral 1. Este es un fenomeno complementario que ha de tenerse en cuenta dentro de las perturbaciones que pueden conducir a una descarga a traves de la abertura perimetral 1. Son conocidos medios rectificadores del flujo que pasa a traves de la abertura perimetral (EP 1780124), cuyo objetivo es disminuir esta descarga mediante el aumento de impulsion en sentido aguas abajo. Sin embargo, estos medios no garantizan un resultado en todos los regfmenes del motor y pueden ser diffciles de instalar cuando el eyector 3 esta acodado.
Explicacion de la invencion
La invencion pretende impedir la descarga de aire primario caliente por intermedio de la abertura perimetral anteriormente descrita. Para conseguir esto, la invencion preve cerrar parcialmente esta abertura perimetral para impedir la descarga del flujo primario al interior del compartimento motor.
Mas exactamente, la presente invencion tiene por objeto un procedimiento de eyeccion de gases de escape de una turbina de gas con el concurso de una tobera de escape de un flujo primario de gases calientes, incluyendo la turbina de gas un compartimento motor de equipos del motor y dotada de entradas de flujos secundarios de aire fresco para ventilar el compartimento motor, refrigerar los equipos del motor y el flujo de gas primario mediante mezcla en el escape. La tobera se prolonga en un eyector que la rodea con un mdice de recubrimiento determinado para conjuntamente formar una vena de escape de los gases. Entre la tobera y el eyector queda determinada una
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abertura perimetral. La posicion y el angulo en el centro de al menos un sector de la abertura perimetral susceptible de constituir una zona de reingestion del flujo primario al interior del compartimento motor se determinan por correlacion de las interacciones entre los flujos secundarios y el flujo primario, a partir de los parametros de movimiento giratorio y de velocidad del aire a la entrada de la tobera, de las geometnas de la vena y del compartimento motor, asf como de la geometna y de la posicion de las entradas de los flujos secundarios de enfriamiento del flujo primario. Esta abertura perimetral se cierra entonces en el (los) sector(es) angular(es) asf identificado(s) y abarca al menos sensiblemente 30 grados.
De acuerdo con formas preferidas de puesta en practica:
- la altura de abertura perimetral referida al diametro hidraulico interno de la tobera se determina en funcion de los mismos parametros de movimiento giratorio y de velocidad del aire, de la geometna de escape y la de los flujos secundarios que anteriormente, con el fin de impedir la reingestion del flujo primario;
- la abertura perimetral se cierra en al menos un sector angular que se extiende al menos parcialmente en oposicion diametral a al menos una entrada de flujo secundario del compartimento motor;
- determinando el eyector un codo para desviar la salida de los flujos gaseosos, la amplitud del angulo de la vena de escape en correspondencia con este codo y la posicion axial de este codo se correlan con la amplitud del angulo del sector que ha de cerrarse;
- en este ultimo caso, la abertura perimetral se cierra en al menos un sector angular posicionado sobre una porcion aguas arriba de curvatura externa determinada por el codo del eyector.
La invencion se refiere asimismo a un conjunto de escape de turbina de gas apto para llevar a la practica el citado procedimiento, y que incluye un compartimento motor y una tobera de escape de un flujo primario de gases calientes. En este conjunto, la tobera se prolonga en un eyector que la recubre en una distancia longitudinal dada, determinando una abertura perimetral entre la tobera y el eyector. Dentro de un capo motor que envuelve el compartimento motor, se han arbitrado unos pasos de entrada de flujos secundarios de aire fresco. La abertura perimetral presenta al menos un cierre que abarca un sector angular al menos igual a sensiblemente 30 grados.
De acuerdo con formas ventajosas de realizacion:
- el cierre de un sector angular se realiza mediante una tecnologfa seleccionada de entre un pegado de cinta de material compuesto, una soldadura de una banda de chapa, una oportuna curvatura del eyector el cual pasa entonces a acoplarse a la tobera, y una fijacion del eyector a la tobera por solidarizacion de piezas de extension situadas en enfrentamiento; estas soluciones presentan la ventaja de evitar la utilizacion de patillas de amarre para la sujecion del eyector en su extremo aguas arriba y que obturan la abertura perimetral que ha permanecido abierta;
- dos sectores cerrados de igual extension quedan separados por un sector abierto intermedio, estando este ultimo, en su conjunto, en oposicion diametral al resto de la abertura perimetral;
- los dos sectores cerrados abarcan un margen situado entre 30 y 90 grados y, el sector intermedio, entre 30 y 60 grados;
- la interrupcion de abertura, contando todos los sectores cerrados, abarca sensiblemente entre 30 y 270 grados, preferentemente entre 60 y 180°;
- el numero de sectores abiertos es, como maximo, igual a 5.
Presentacion de las figuras
Otros datos, caractensticas y ventajas de la presente invencion se iran poniendo de manifiesto con la lectura de la descripcion no limitada que sigue, con referencia a las figuras que se acompanan, las cuales representan, respectivamente:
la figura 1, un esquema en seccion longitudinal parcial de un extremo posterior de turbina de gas segun el estado de la tecnica (ya comentada);
la figura 2, una vista lateral de la abertura perimetral entre una tobera y un eyector acodado con un ejemplo de cierre local de esta abertura tobera / eyector segun la invencion;
las figuras 3a y 3b, unas vistas esquematicas en seccion transversal en correspondencia con el recubrimiento tobera / eyector con un acoplamiento entre el eyector y la tobera para determinar, respectivamente, uno y dos sectores cerrados segun la invencion;
la figura 4, una vista esquematica en seccion longitudinal localizada en correspondencia con un sector abierto entre la tobera y el eyector;
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la figura 5, una vista en seccion longitudinal parcial de un extremo posterior de turbina de gas segun la figura 1, con un ejemplo de localizacion de seccion cerrada de una abertura en funcion de la posicion de la entrada del flujo secundario de enfriamiento del flujo primario; y
la figura 6, una vista en seccion longitudinal parcial de un extremo posterior de turbina de gas segun la figura 1, con un ejemplo de localizacion de seccion cerrada de una abertura cuando el eyector esta acodado.
Descripcion detallada
En el presente texto, el termino “longitudinal” significa a lo largo de la lmea central de la turbina de gas, definiendose el termino “transversal” perpendicularmente a este eje y extendiendose el termino “radial” en un plano transversal a partir de este eje. Los terminos “aguas arriba” y “aguas abajo” se refieren al sentido general de circulacion de los flujos de aire a lo largo del eje longitudinal de una turbina de gas hasta su expulsion final a la tobera. En los ejemplos ilustrados, helicopteros son propulsados por turbinas de gas. Por otro lado, signos de referencia identicos remiten a los pasajes en los que estan descritos esos elementos.
Con referencia a la vista lateral de la abertura perimetral 1 de la figura 2, se ilustra un ejemplo de cierre local de esta abertura 1 entre una tobera 2 y un eyector acodado 3 de una turbina. Este cierre se realiza mediante una pieza 20 postiza a la tobera 2 y al eyector 3 en correspondencia con el extremo aguas arriba 30 del eyector determinante del borde elevado “en trompa” de este extremo. La pieza puede ser de chapa o de material compuesto. Se puede utilizar cualquier medio de solidarizacion apropiado: soldadura, pegado, etc.
En el ejemplo, la pieza de cierre 20 abarca un sector angular sensiblemente igual a 120°. De acuerdo con otros ejemplos de puesta en practica, ilustrados mediante las figuras 3a y 3b, la seccion cerrada 21 puede extenderse, respectivamente, segun un sector unico 21a del orden de 180° (figura 3a) o segun dos sectores 21b y 21c de angulo en el centro C igual a 60° cada uno de ellos (figura 3b). Los sectores cerrados 21a, y 21b - 21c se completan con sectores abiertos 1a, y 1b - 1c.
En el ejemplo segun la figura 3b, los sectores cerrados 21b y 21c son de igual extension, separados por un sector abierto intermedio 1c de angulo en el centro C igual a aproximadamente 60°, hallandose este ultimo, en su conjunto, en oposicion diametral al resto de la abertura perimetral 1b de mayor amplitud que el sector intermedio 1c, de angulo en el centro del orden de 180°. Mas exactamente, los sectores abiertos 1a, 1b y 1c se extienden simetricamente alrededor del eje radial x'x orientado segun la posicion de la entrada del flujo secundario de aire fresco, segun se describe seguidamente.
Por otro lado, el posicionamiento tobera / eyector presenta la geometna ilustrada mediante la figura 4 segun una seccion longitudinal a lo largo del eje Y'Y en correspondencia con un sector abierto entre la tobera 2 y el eyector 3. A partir de esta geometna ventajosamente quedan determinadas dos caractensticas relativas:
- la longitud de recubrimiento “Lr”, entre el borde 30 del eyector 3 y el extremo de la tobera 2, referida a la altura “h” que separa radialmente la tobera del eyector, con
1 < Lr/h < 15
- el mdice de apertura de la altura “h” referida al diametro hidraulico interno “Dhi” de la tobera 2, con
3 % < h/Dhi < 12 %
De manera mas general, la posicion y el angulo en el centro de los sectores de la abertura perimetral se determinan por correlacion de las interacciones mediante una modelizacion, por ejemplo con el concurso de herramientas digitales, entre los flujos secundarios Fs y el flujo primario Fp, a partir de los parametros de movimiento giratorio y de velocidad del aire a la entrada de la turbina libre 12 (figura 1), de las geometnas de la vena de escape y del compartimento motor Mb, asf como de la geometna y de la posicion de las entradas de los flujos secundarios E1a y E1b. Esta abertura perimetral queda cerrada entonces en los sectores angulares asf identificados.
Con referencia a la vista en seccion longitudinal parcial de la figura 5, alusiva al extremo posterior de una turbina de gas, se presenta un ejemplo de posicionamiento de una seccion cerrada 21 de la abertura perimetral 1. La seccion cerrada 21 se extiende segun una curvatura apropiada “en continuidad” desde el extremo aguas arriba 3a del eyector 3 el cual, entonces, pasa a acoplarse a la tobera 2. En este ejemplo, el ultimo paso de entrada de aire E1b de un flujo secundario Fs se halla dispuesto al mismo nivel radial que la aspiracion de este flujo secundario Fs en la abertura 1 entre la tobera 2 y el eyector 3. Queda entonces la seccion 21 posicionada de manera radialmente opuesta al paso de entrada de aire E1b del flujo secundario Fs a traves del capo motor Mc del compartimento motor Mb.
De manera general, la ligazon de tipo “continua” o equivalente presenta la ventaja de poder eliminar las patillas de fijacion entre la tobera y el eyector, en particular cuando los sectores cerrados abarcan mas de 180°.
Con referencia a la vista en seccion longitudinal parcial de la figura 6, el extremo posterior de una turbina de gas incluye un eyector acodado 3. La seccion cerrada 21 abarca un sector angular posicionado sobre una porcion aguas
arriba de la curvature externa Ce determinada por el codo 33 del eyector.
La invencion no queda limitada a los ejemplos de realizacion descritos y representados. En particular, se pueden prever otras configuraciones para guiar los flujos secundarios dentro del compartimento motor para enfriar el flujo primario.
5 Por otro lado, el movimiento giratorio del aire a la salida de la turbina libre es un parametro esencial de determinacion del movimiento giratorio del aire a la entrada de la tobera. La geometna del escape de los gases depende en particular de una configuracion al menos parcialmente axisimetrica de la vena de la tobera, de la presencia y del numero de brazos o de obstaculos en la vena de escape. La tobera y el eyector pueden incluir varios codos: el numero y la posicion de los codos pueden ser, asimismo, factores que tener en cuenta. Ademas, en lo 10 referente a la geometna del compartimento motor como parametro, puede ser util tener en cuenta la presencia de obstaculos dentro del compartimento y de las paredes de contacto de los flujos secundarios, asf como el numero, la posicion y la configuracion de las entradas de los flujos secundarios.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento de eyeccion de gases de escape de una turbina de gas que incluye un compartimento motor (Mb) y una tobera de escape (2) de un flujo primario de gases calientes (Fp), asf como entradas (E1) de flujos secundarios de aire fresco (Fs) al compartimento motor (Mb) de equipos del motor, y dotada de entradas (E1a, E1b) de flujos secundarios de aire fresco (Fs) para ventilar el compartimento, refrigerar el compartimento motor y el flujo de gas primario, prolongandose la tobera (2) en un eyector (3) que la rodea con un mdice de recubrimiento (Lr/h) determinado para conjuntamente formar una vena de escape de los gases, entre la tobera (2) y el eyector (3) queda determinada una abertura perimetral (1), caracterizado por que la posicion y el angulo en el centro (C) de al menos un sector (21; 21a, 21b, 21c) de la abertura perimetral (1) susceptible de constituir una zona de reingestion del flujo primario (Fp) al interior del compartimento motor (Mb) se determinan por correlacion de las interacciones entre los flujos secundarios (Fs) y el flujo primario (Fp), a partir de los parametros de movimiento giratorio y de velocidad del aire a la entrada de la tobera (2), de las geometnas de la vena de escape (2, 3) y del compartimento motor (Mb), asf como de la geometna y de la posicion de las entradas (E1a, E1b) de flujos secundarios (Fs), y por que esta abertura perimetral se cierra entonces en el (los) sector(es) angular(es) (21; 21a, 21b, 21c) asf identificado(s) y abarca al menos sensiblemente 30 grados.
  2. 2. Procedimiento de eyeccion de gases segun la reivindicacion 1, en el que la altura de abertura perimetral referida al diametro hidraulico interno de la tobera se determina en funcion de los mismos parametros de movimiento giratorio del aire, de la geometna de escape y la de los flujos secundarios que anteriormente, con el fin de impedir la reingestion del flujo primario.
  3. 3. Procedimiento de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 o 2, en el que la abertura perimetral se cierra en al menos un sector angular que se extiende al menos parcialmente en oposicion diametral a al menos una entrada de flujo secundario del compartimento motor.
  4. 4. Procedimiento de eyeccion de gases segun una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que, determinando el eyector un codo para desviar la salida de los flujos gaseosos, la amplitud del angulo de la vena de escape en correspondencia con este codo y la posicion axial de este codo se correlan con la amplitud del angulo del sector que ha de cerrarse.
  5. 5. Procedimiento de eyeccion de gases segun la anterior reivindicacion, en el que la abertura perimetral se cierra en al menos un sector angular posicionado sobre una porcion aguas arriba (21) de curvatura externa (Ce) determinada por el codo del eyector.
  6. 6. Conjunto de escape de turbina de gas apto para llevar a la practica el procedimiento segun una de las anteriores reivindicaciones, que incluye un compartimento motor y una tobera de escape de un flujo primario de gases calientes, en el que la tobera se prolonga en un eyector que la recubre en una distancia longitudinal dada, determinando una abertura perimetral entre la tobera y el eyector y habiendose arbitrado, dentro de un capo motor que envuelve el compartimento motor, unos pasos de entrada de flujos secundarios de aire fresco, caracterizandose dicho conjunto de escape de turbina de gas por que la abertura perimetral presenta al menos un cierre que abarca un sector angular al menos igual a sensiblemente 30 grados.
  7. 7. Conjunto de escape segun la anterior reivindicacion, en el que el cierre de un sector angular se realiza mediante una tecnologfa seleccionada de entre un pegado de cinta de material compuesto, una soldadura de una banda de chapa, una oportuna curvatura del eyector el cual pasa entonces a acoplarse a la tobera, y una fijacion del eyector a la tobera por solidarizacion de piezas de extension situadas en enfrentamiento.
  8. 8. Conjunto de escape segun la anterior reivindicacion, en el que dos sectores cerrados (21b, 21c) de igual extension quedan separados por un sector abierto intermedio (1c), estando este ultimo, en su conjunto, en oposicion diametral al resto de la abertura perimetral (1b).
  9. 9. Conjunto de escape segun una de las reivindicaciones 6 a 8, en el que la interrupcion de abertura, contando todos los sectores cerrados, abarca sensiblemente entre sensiblemente 30 grados y 270 grados.
ES13706619.7T 2012-02-01 2013-02-01 Procedimiento de eyección de gases de escape de turbina de gas y conjunto de escape de configuración optimizada Active ES2649019T3 (es)

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