ES2967927T3 - Un intercambiador de calor mejorado - Google Patents

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Paul M Hield
Jonathan A Cherry
Thomas S Binnington
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Abstract

Un motor de turbina de gas turbofan comprende, en secuencia de flujo axial, un módulo intercambiador de calor, un conjunto de ventilador, un módulo compresor, un módulo de turbina y un módulo de escape. El conjunto de ventilador comprende una pluralidad de aspas de ventilador que definen un diámetro de ventilador (D). El módulo intercambiador de calor está en comunicación fluida con el conjunto de ventilador mediante un conducto de entrada, y el módulo intercambiador de calor comprende una pluralidad de paletas huecas que se extienden radialmente dispuestas en una disposición circunferencial con un canal que se extiende axialmente entre cada par de paletas huecas adyacentes. El módulo intercambiador de calor tiene un perfil de sección transversal axial cuadrado, donde la longitud lateral de la sección transversal cuadrada es D. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Un intercambiador de calor mejorado
Campo de la divulgación
La presente descripción se refiere a un conjunto de paletas circunferenciales que aloja un intercambiador de calor y en concreto a un conjunto de paletas circunferenciales que aloja un intercambiador de calor, para su uso con un motor de turbina de gas turboventilador
Antecedentes de la divulgación
Un motor de turbina de gas turboventilador convencional utiliza intercambiadores de calor para enfriar una variedad de fluidos, incluyendoentre otrosaire, combustible y aceite. Normalmente, estos intercambiadores de calor utilizan como medio refrigerante aire de derivación o una toma de aire del compresor. El propio intercambiador de calor puede estar situado en el conducto de derivación o externamente al motor con los conductos correspondientes.
El uso de aire de derivación o una corriente de salida del compresor como medio de refrigeración en un intercambiador de calor afectará negativamente al rendimiento del motor, por ejemplo reduciendo el empuje específico o aumentando el consumo de combustible específico. Como alternativa o adicionalmente, dichas tomas pueden afectar negativamente al rendimiento del motor, por ejemplo reduciendo el margen de sobretensión.
En otra disposición convencional alternativa, se puede extraer un flujo de aire para proporcionar el medio de refrigeración en un intercambiador de calor por separado del flujo de aire a través del motor de turbina de gas. Por ejemplo, en una aplicación de fuselaje, el flujo de aire que proporciona el medio de refrigeración puede extraerse de una entrada o conducto de aire separado del motor.
La patente europea EP 1916399 A2 describe un método para ensamblar un motor de turbina que incluye ensamblar un conjunto de intercambiador de calor que incluye al menos una placa radialmente interna, una placa radialmente externa y un intercambiador de calor acoplado entre las placas radialmente internas y externas, formando el conjunto de intercambiador de calor de manera que el calor el conjunto de intercambiador tiene una forma esencialmente arqueada, y acopla el intercambiador de calor a una cubierta de ventilador de manera que el intercambiador de calor esté colocado aguas arriba o aguas abajo del conjunto de ventilador.
La patente europea EP 3 026 240 A1 describe un motor turboventilador que incluye una pared de entrada que se extiende axialmente y rodea una trayectoria de flujo de entrada. Una distancia radial entre la pared de entrada y la pared interior adyacente al ventilador delimita una altura aguas abajo de la trayectoria del flujo de entrada. Una pluralidad de paletas están espaciadas circunferencialmente alrededor de la entrada, con cada una de las paletas que se extiende radialmente hacia adentro desde la pared de entrada, una distancia radial máxima entre una punta de cada una de las paletas y la pared de entrada que delimita una altura máxima de la paleta. La altura máxima de la paleta es como máximo el 50% de la altura aguas abajo de la trayectoria del flujo. En otro modo de realización, la altura máxima de la paleta es como máximo el 50% de la envergadura máxima de las aspas de ventilador.
La patente europea EP 2085600 B1 describe un sistema de gestión térmica que incluye al menos un intercambiador de calor en comunicación con un flujo de derivación de un motor de turbina de gas. La ubicación del(los) intercambiador(es) de calor minimiza las pérdidas aerodinámicas y de peso y contribuye a un aumento del rendimiento general con respecto a los esquemas de ubicación de intercambiadores de calor de conductos tradicionales.
El documento GB 2238080 A describe un sistema de propulsión híbrido para un vehículo de crucero transatmosférico o hipersónico que comprende un motor a reacción que aspira aire preenfriado y un motor de cohete. Anteriormente, se formaba hielo en el intercambiador de calor de enfriamiento de entrada en altitudes donde hay suficiente humedad como para afectar perjudicialmente el empuje de chorro. Por lo tanto, el motor de cohete se hace funcionar temporalmente para compensar la pérdida de empuje de chorro cuando hay formación de hielo y durante el deshielo. El motor de cohete está montado coaxialmente con el tubo de chorro que sale a través de un orificio anular hacia una boquilla propulsora común. La disposición evita vectores de empuje transversales ya que los empujes relativos del motor varían, lo que provocaría que el vehículo cabeceara o la guiñada.
Como se utiliza en el presente documento, un rango "desde el valor X hasta el valor Y" o "entre el valor X y el valor Y", o similares, indica un rango inclusivo; incluyendo los valores límite de X e Y. Como se utiliza en el presente documento, el término "plano axial" indica un plano que se extiende a lo largo de la longitud de un motor, paralelo a y que contiene una línea central axial del motor, y el término "plano radial" indica un plano que se extiende perpendicular a la línea central axial del motor, incluyendo así todas las líneas radiales en la posición axial del plano radial. Los planos axiales también pueden denominarse planos longitudinales, ya que se extienden a lo largo de la longitud del motor. Una distancia radial o una distancia axial es, por tanto, una distancia en un plano radial o axial, respectivamente.
Declaraciones de la divulgación
De acuerdo con un primer aspecto de la presente descripción, se proporciona un motor de turbina de gas turboventilador que comprende, en secuencia de flujo axial, un módulo intercambiador de calor, un conjunto de ventilador, un módulo compresor, un módulo de turbina y un módulo de escape, el conjunto de ventilador que comprende una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan un diámetro de ventilador (D), el módulo intercambiador de calor que está en comunicación fluida con el conjunto de ventilador mediante un conducto de entrada, el módulo intercambiador de calor que comprende una pluralidad de paletas huecas que se extienden radialmente dispuestas en un conjunto circunferencial con un canal que se extiende axialmente entre cada par de paletas huecas adyacentes, caracterizado por que el módulo intercambiador de calor tiene un perfil de sección transversal axial cuadrada.
En el motor de turbina de gas turboventilador de la presente disposición, el aire de admisión que entra en el conjunto de ventilador debe pasar primero a través del módulo intercambiador de calor. La presencia del conjunto circunferencial de paletas que se extienden radialmente en el módulo intercambiador de calor da como resultado una caída de presión a través del módulo intercambiador de calor. Esto, a su vez, restringe el flujo de aire de admisión que entra al motor de turbina de gas turboventilador a través del conjunto de ventilador y tiene un efecto adverso sobre el rendimiento del motor.
Proporcionar al módulo intercambiador de calor un perfil de sección transversal axial cuadrada aumenta el área a través de la cual pasa el aire de admisión y, por lo tanto, reduce la caída de presión a través del módulo intercambiador de calor. Esto mejora el rendimiento del motor con respecto a la configuración que tiene un módulo intercambiador de calor con un perfil de sección transversal circular.
Opcionalmente, el perfil de sección transversal cuadrada comprende una longitud E lateral, estando la longitud E lateral en el rango de entre 1,0*D y 1,5*D.
En una disposición, la longitud E lateral del perfil de sección transversal axial cuadrada es igual al diámetro D del ventilador. Esto hace que el empaquetado del motor de turbina de gas turboventilador en un fuselaje u otro cuerpo de máquina sea más fácil y conveniente para un usuario.
Opcionalmente, una longitud E lateral del perfil de sección transversal cuadrada es menor que D.
Al hacer que la longitud E lateral del perfil de sección transversal axial cuadrada sea más pequeña que el diámetro D del ventilador, resulta posible aerodinamizar aún más la porción delantera del conjunto de motor de turbina de gas. Esto permite al usuario empaquetar de manera más aerodinámica el motor de turbina de gas en un cuerpo de máquina.
Opcionalmente, cada esquina del perfil de sección transversal cuadrada comprende un perfil curvo.
En una disposición que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones, el perfil de la sección transversal axial del módulo intercambiador de calor es una superelipse definida por
donde: x e y son coordenadas cartesianas de un punto de la superelipse;
R es la longitud de la mitad del lado del perfil de sección transversal axial (es decir, R=E/2); y
n se encuentra en el rango entre 2 y 10.
La superelipse es una curva cerrada prácticamente rectilínea que tiene algunas de las propiedades de una elipse. En una forma simétrica, como se usa en esta disposición, la superelipse tiene una forma prácticamente rectilínea en la que cada uno de los bordes laterales se fusionan de manera uniforme en una esquina y regresa al siguiente borde lateral. Esta disposición es especialmente adecuada para acomodar flujos de fluido porque el perímetro fusionado de manera continua minimiza las pérdidas aerodinámicas en el perímetro de la superelipse.
En una de esas configuraciones de superelipse, el exponente n es 4. A medida que aumenta el exponente n, el área cerrada dentro de la superelipse aumenta y el tamaño del radio de la esquina disminuye. El aumento del área cerrada permite un mayor flujo de fluido a través de la forma definida por la superelipse, mientras que la disminución del radio de las esquinas da como resultado mayores pérdidas aerodinámicas en la zona de las esquinas. Los inventores han descubierto que una superelipse definida por el exponente n igual a 4 proporciona un equilibrio entre el aumento del área de flujo y las mayores pérdidas aerodinámicas.
En disposiciones alternativas, el perfil curvo de cada una de las zonas de esquina puede formarse como una curva de radio constante, una curva de radio variable, una curva elíptica, una curva hiperbólica o una curva logarítmica.
Opcionalmente, cada una de las cuatro zonas de esquina del perfil de sección transversal del módulo intercambiador de calor aloja una de las paletas huecas.
Una ventaja adicional de las formas geométricas cuadradas y de superelipse para el perfil de sección transversal del módulo intercambiador de calor sobre una forma circular comparable es que la longitud radial en las zonas de las esquinas es mayor que el radio del perfil de sección transversal circular equivalente del módulo intercambiador de calor. Esto significa que se puede acomodar un elemento de transferencia de calor más largo a lo largo de la longitud radial en las zonas de las esquinas, lo que a su vez permite que el módulo intercambiador de calor de la presente descripción tenga una mayor capacidad de transferencia de calor que para un módulo intercambiador de calor que tiene un perfil de sección transversal circular.
Opcionalmente, un flujo de aire que entra al módulo intercambiador de calor se divide entre un conjunto de flujos de aire de paleta a través de cada paleta hueca, y un conjunto de flujos de aire de canal a través de cada canal, al menos una de las paletas huecas acomoda al menos un elemento de transferencia de calor para la transferencia de calor desde un primer fluido contenido dentro del o cada elemento de transferencia de calor al o cada flujo de aire de paleta correspondiente que pasa sobre una superficie del o cada elemento de transferencia de calor.
En una disposición de acuerdo con la presente descripción, entre el 5% y el 75% del flujo másico de aire que entra en el conjunto de ventilador habrá pasado a través de las paletas huecas y, por tanto, sobre una superficie de los elementos de transferencia de calor. Se ha determinado que este rango es suficiente para proporcionar la capacidad de rechazar de manera funcional la energía térmica residual al flujo de aire entrante.
El parámetro del caudal másico de aire (normalmente expresado en kg/s) es bien conocido por la persona experta, al igual que su medición, y ninguno de los dos se comentará más en el presente documento.
Opcionalmente, el o cada elemento de transferencia de calor se extiende axialmente dentro de la paleta hueca correspondiente.
Al extenderse axialmente a lo largo de un volumen interior de la paleta hueca, el elemento de transferencia de calor puede transferir eficientemente energía térmica al flujo de aire de la paleta entrante sin la necesidad de forzar al flujo de aire de la paleta entrante a cambiar de dirección. Esto hace que el módulo intercambiador de calor de la presente descripción sea más aerodinámicamente eficiente y, por tanto, más versátil y deseable para un usuario.
En disposiciones alternativas en las que se colocan múltiples elementos de transferencia de calor dentro de una paleta hueca, estos elementos de transferencia de calor se pueden colocar uno al lado del otro (es decir, circunferencialmente adyacentes) o de extremo a extremo (es decir, axialmente adyacentes). Sin embargo, en cada una de estas disposiciones alternativas, los elementos individuales de transferencia de calor se extienden axialmente dentro de la paleta hueca correspondiente.
Opcionalmente, el diámetro D del ventilador está dentro del rango de 0,3 m a 2,0 m, preferiblemente dentro del rango de 0,4 m a 1,5 m, y más preferiblemente en el rango de 0,7 m a 1,0 m.
En un modo de realización de la descripción, el diámetro del ventilador es de 0,9 m.
Por consiguiente, para la misma carga de energía térmica rechazada al flujo de aire a través del intercambiador de calor, la pérdida en la eficiencia propulsora del motor turboventilador es proporcionalmente menor para un motor turboventilador de gran diámetro (por ejemplo, aproximadamente 1,5 a 2,0 m de diámetro) que para un motor turboventilador de pequeño diámetro.
El diámetro de la punta del ventilador, medido a lo largo de una línea central del motor y entre una punta más exterior de aspas de ventilador opuestas en su borde de ataque, puede estar en el rango de 95 cm a 200 cm, por ejemplo en el rango de 110 cm a 150 cm, o como alternativa en el rango de 155 cm a 200 cm. El diámetro de la punta del ventilador puede ser mayor que cualquiera de: 110 cm, 115 cm, 120 cm, 125 cm, 130 cm, 135 cm, 140 cm, 145 cm, 150 cm, 155 cm, 160 cm, 165 cm, 170 cm, 175 cm, 180 cm, 185 cm, 190 cm o 195 cm. El diámetro de la punta del ventilador puede ser de alrededor de 110 cm, 115 cm, 120 cm, 125 cm, 130 cm, 135 cm, 140 cm, 145 cm, 150 cm, 155 cm, 160 cm, 165 cm, 170 cm, 175 cm, 180 cm, 185 cm, 190 cm o 195 cm. El diámetro de la punta del ventilador puede ser superior a 160 cm.
El diámetro de la punta del ventilador puede estar en el rango de 95 cm a 150 cm, opcionalmente en el rango de 110 cm a 150 cm, opcionalmente en el rango de 110 cm a 145 cm, y además opcionalmente en el rango de 120 cm a 140 cm.
El diámetro de la punta del ventilador puede estar en el rango de 155 cm a 200 cm, opcionalmente en el rango de 160 cm a 200 cm, y además opcionalmente en el rango de 165 cm a 190 cm.
Opcionalmente, el módulo intercambiador de calor tiene un área de flujo A<hex>y el módulo de ventilador tiene un área de flujo A<vent>, y una relación de A<vent>a A<hex>que está en el rango de 0,6 a 1,0.
Por área de flujo ha de entenderse una sección transversal del flujo de aire tomada perpendicularmente a un eje central del flujo en la dirección del flujo. Dicho de otro modo, para el módulo intercambiador de calor el área de flujo A<hex>corresponde al área de la sección transversal del módulo intercambiador de calor a través de la cual pasa el flujo.
Asimismo, para el conjunto del ventilador el área de flujo A<vent>corresponde al área de la sección transversal del conjunto del ventilador a través de la cual pasa el flujo.
En una disposición de la presente descripción, el área de flujo del módulo intercambiador de calor tiene un perfil anular y se extiende solo sobre una porción circunferencial radialmente hacia afuera del área de flujo del conjunto de ventilador. Dicho de otro modo, el flujo de aire que entra en una porción radialmente proximal del área de flujo del conjunto de ventilador no pasa a través del conjunto de intercambiador de calor y simplemente entra en el conjunto de ventilador. En una disposición, la porción circunferencial radialmente hacia afuera del área de flujo del conjunto de ventilador comprende el 60% del área de flujo del conjunto de ventilador.
En otra disposición de la descripción, el área de flujo del módulo intercambiador de calor se extiende completamente sobre el área de flujo del conjunto de ventilador.
Opcionalmente, el conjunto de ventilador tiene dos o más etapas de ventilador, al menos una de las etapas de ventilador que comprende una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan el diámetro D del ventilador.
En una disposición, el conjunto de ventilador tiene dos etapas de ventilador, ambas etapas de ventilador que comprenden una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan el mismo diámetro de ventilador. Como alternativa, cada una de las etapas de ventilador puede tener diferentes diámetros de ventilador.
Opcionalmente, en uso, un flujo de aire que entra al módulo intercambiador de calor con una velocidad media de 0,4M, se divide entre el conjunto de flujos de aire de paleta que tienen una velocidad media de 0,2M y el conjunto de flujos de aire de canal que tienen una velocidad media de 0,6M.
En una disposición de la presente descripción, las porciones de entrada y escape de la paleta hueca pueden actuar como un difusor para retardar el flujo de aire que entra a la paleta hueca. Dicho de otro modo, el flujo másico de aire de las paletas se reduce del flujo másico de aire del flujo de aire que entra al módulo intercambiador de calor. En esta disposición, el flujo de aire del canal a través de los canales entre pares de paletas huecas circunferencialmente adyacentes aumenta para mantener la continuidad del flujo.
De acuerdo con otro aspecto de la presente descripción, que no forma parte de la presente invención, se proporciona un método que hace funcionar una aeronave que comprende el motor de turbina de gas de acuerdo con el primer modo de realización, el método que comprende despegar desde una pista, en donde la velocidad máxima de giro de la turbina durante el despegue está en el rango de 12.400 a 24.700 r.p.m.
La velocidad máxima de giro del ventilador de despegue puede estar en un rango entre 12.400 r.p.m. y 24.700 r.p.m. Opcionalmente, por ejemplo, para un motor con un diámetro de punta de ventilador en el rango de 50 cm a 80 cm, la velocidad máxima de giro del ventilador de despegue puede estar en un rango de entre 12.400 r.p.m. y 20.500 r.p.m. Opcionalmente, por ejemplo, para un motor con un diámetro de punta de ventilador en el rango de 70 cm a 100 cm, la velocidad máxima de giro del ventilador de despegue puede estar en un rango de entre 10.000 r.p.m. y 15.000 r.p.m.
De acuerdo con otro aspecto de la presente descripción, se proporciona un método que hace funcionar un motor de turbina de gas turboventilador, el motor de turbina de gas, en secuencia de flujo axial, que comprende un módulo intercambiador de calor, un conducto de entrada, un conjunto de ventilador, un módulo compresor, y un módulo de turbina y un módulo de escape, el conjunto de ventilador que comprende una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan un diámetro (D) de ventilador, y en donde el método comprende las etapas de:
(i) proporcionar el conjunto de ventilador, el módulo compresor, el módulo de turbina y el módulo de escape;
caracterizado por que el método comprende las etapas adicionales de:
(ii) proporcionar al módulo intercambiador de calor un perfil de sección transversal axial cuadrada, donde la longitud lateral de la sección transversal cuadrada es D;
(iii) colocar el módulo intercambiador de calor en comunicación fluida con el conjunto de ventilador por el conducto de entrada;
(iii) proporcionar al módulo intercambiador de calor una pluralidad de paletas huecas que se extienden radialmente dispuestas en un conjunto circunferencial con un canal que se extiende axialmente entre cada par de paletas huecas adyacentes, acomodando al menos una de las paletas huecas al menos un elemento de transferencia de calor para la transferencia de energía térmica desde un primer fluido contenido dentro del o de cada elemento de transferencia de calor a un flujo de aire de paleta correspondiente a través de la o de cada paleta hueca y sobre una superficie del o de cada elemento de transferencia de calor; y
(iv) hacer funcionar el motor de turbina de gas de manera que un flujo de aire que entra al módulo de intercambio de calor se divida entre el conjunto de flujos de aire de paleta a través de cada paleta hueca y un conjunto de flujos de aire de canal a través de cada canal.
En el motor de turbina de gas turboventilador de la presente disposición, el aire de admisión que entra en el conjunto de ventilador debe pasar primero a través del módulo intercambiador de calor. La presencia del conjunto circunferencial de paletas que se extienden radialmente en el módulo intercambiador de calor da como resultado una caída de presión a través del módulo intercambiador de calor. Esto, a su vez, restringe el flujo de aire de admisión que entra al motor de turbina de gas turboventilador a través del conjunto de ventilador y tiene un efecto adverso sobre el rendimiento del motor.
Proporcionar al módulo intercambiador de calor con un perfil de sección transversal axial cuadrada aumenta el área a través de la cual pasa el aire de admisión y, por lo tanto, reduce la caída de presión a través del módulo intercambiador de calor. Esto mejora el rendimiento del motor con respecto a la configuración que tiene un módulo intercambiador de calor con un perfil de sección transversal circular.
Opcionalmente, la etapa (ii) comprende la etapa de:
(ii)' proporcionar al módulo intercambiador de calor un perfil de sección transversal axial cuadrada en el que cada esquina del perfil de sección transversal comprende un perfil curvado.
En una disposición que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones, el perfil de sección transversal axial toma la forma de una súper elipse definida por
donde: x e y son coordenadas cartesianas de un punto de la super elipse;
R es la longitud de la mitad del lado del perfil de sección transversal axial (es decir, R=E/2); y
n se encuentra en el rango entre 2 y 10.
La superelipse es una curva cerrada prácticamente rectilínea que tiene algunas de las propiedades de una elipse. En una forma simétrica, como se usa en esta disposición, la superelipse tiene una forma prácticamente rectilínea en la que cada uno de los bordes laterales se fusiona de manera uniforme en una esquina y regresa al siguiente borde lateral. Esta disposición es especialmente adecuada para acomodar flujos de fluido porque el perímetro fusionado de manera continua minimiza las pérdidas aerodinámicas en el perímetro de la superelipse.
En una de esas configuraciones de superelipse, el exponente n es 4. A medida que aumenta el exponente n, el área cerrada dentro de la superelipse aumenta y el tamaño del radio de la esquina disminuye. El aumento del área cerrada permite un mayor flujo de fluido a través de la forma definida por la superelipse, mientras que la disminución del radio de las esquinas da como resultado mayores pérdidas aerodinámicas en la zona de las esquinas. El inventor ha descubierto que una superelipse definida por el exponente n igual a 4 proporciona un equilibrio óptimo entre el aumento del área de flujo y las mayores pérdidas aerodinámicas.
Opcionalmente, el motor de turbina de gas turboventilador comprende además una carcasa exterior, la carcasa exterior que contiene la disposición secuencial de módulo intercambiador de calor, conjunto de ventilador, módulo compresor y módulo de turbina, delimitándose un conducto de derivación anular entre la carcasa exterior y la disposición secuencial de módulos, definiéndose una relación de derivación como una relación entre un caudal de aire másico a través del conducto de derivación y un caudal de aire másico a través de la disposición secuencial de módulos, y en donde la relación de derivación es inferior a 2,0.
Un motor turboventilador que tiene una relación de derivación (BPR) menor que aproximadamente 2,0 tendrá un conducto de derivación generalmente más pequeño (el conducto anular que rodea el motor de turbina de gas central) que un motor turboventilador que tiene una BPR mayor que aproximadamente 2,0. Para un motor turboventilador con una BPR mayor que, digamos, 2,0, el volumen correspondientemente mayor del conducto de derivación proporciona más margen para colocar un intercambiador de calor dentro del conducto de derivación que lo que sería el caso para un motor turboventilador de bajo BPR.
Como se indica en otra parte en el presente documento, la presente descripción se refiere a un motor de turbina de gas turboventilador. Un motor de turbina de gas de este tipo puede comprender un núcleo de motor que comprende una turbina, una cámara de combustión, un compresor y un árbol central que conecta la turbina al compresor. Un motor de turbina de gas de este tipo puede comprender un ventilador (que tiene aspas) situado aguas arriba del núcleo del motor. El ventilador puede comprender cualquier número de etapas, por ejemplo múltiples etapas. Cada etapa de ventilador puede comprender una fila de aspas de ventilador y una fila de paletas de estator. Las paletas de estator pueden ser paletas de estator variables (por que su ángulo de incidencia puede ser variable).
El motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede tener cualquier arquitectura general adecuada. Por ejemplo, el motor de turbina de gas puede tener cualquier número deseado de árboles que conectan turbinas y compresores, por ejemplo uno, dos o tres árboles. Exclusivamente a modo de ejemplo, la turbina conectada al árbol central puede ser una primera turbina, el compresor conectado al árbol central puede ser un primer compresor y el árbol central puede ser un primer árbol central. El núcleo del motor puede comprender además una segunda turbina, un segundo compresor y un segundo árbol central que conecta la segunda turbina al segundo compresor. La segunda turbina, el segundo compresor y el segundo árbol central pueden estar dispuestos para girar a una velocidad de giro más alta que el primer árbol central.
En dicha disposición, el segundo compresor puede estar colocado axialmente aguas abajo del primer compresor. El segundo compresor puede estar dispuesto para recibir (por ejemplo recibir directamente, por ejemplo a través de un conducto generalmente anular) flujo desde el primer compresor.
En cualquier motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento, se puede proporcionar una cámara de combustión axialmente aguas abajo del ventilador y el(los) compresor(es). Por ejemplo, la cámara de combustión puede estar directamente aguas abajo de (por ejemplo a la salida de) el segundo compresor, donde se proporciona un segundo compresor. A modo de ejemplo adicional, el flujo a la salida de la cámara de combustión se puede proporcionar a la entrada de la segunda turbina, donde se proporciona una segunda turbina. La cámara de combustión puede estar situada aguas arriba de la(s) turbina(s).
El o cada compresor (por ejemplo el primer compresor y el segundo compresor como se describió anteriormente) puede comprender cualquier número de etapas de compresor, por ejemplo múltiples etapas. Cada etapa del compresor puede comprender una fila de aspas de rotor y una fila de paletas de estator. Las paletas de estator pueden ser paletas de estator variables (por que su ángulo de incidencia puede ser variable). La fila de aspas de rotor y la fila de paletas de estator pueden estar desplazadas axialmente entre sí.
La o cada turbina (por ejemplo la primera turbina y la segunda turbina como se describió anteriormente) puede comprender cualquier número de etapas de turbina, por ejemplo múltiples etapas. Cada etapa de turbina puede comprender una fila de aspas de rotor y una fila de paletas de estator. La fila de aspas de rotor y la fila de paletas de estator pueden estar desplazadas axialmente entre sí.
Cada aspa de ventilador puede definirse como si tuviera una extensión radial que se extiende desde una raíz (o buje) en una ubicación lavada con gas radialmente interna, o una posición de 0% de extensión, hasta una punta en una posición de 100% de extensión. La relación entre el radio del aspa de ventilador en el buje y el radio del aspa de ventilador en la punta puede ser menor que (o del orden de) cualquiera de: 0,40, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,30, 0,29, 0,28, 0,27 o 0,26. La relación entre el radio del aspa de ventilador en el buje y el radio del aspa de ventilador en la punta puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores), por ejemplo en el rango de 0,28 a 0,32. Estas relaciones pueden denominarse comúnmente relación entre buje y punta. El radio en el buje y el radio en la punta pueden medirse ambos en la parte del borde de ataque (o axialmente más hacia adelante) del aspa. La relación entre buje y punta se refiere, evidentemente, a la porción del aspa de ventilador lavada con gas, es decir, la porción radialmente fuera de cualquier plataforma.
El radio del ventilador se puede medir entre la línea central del motor y la punta de un aspa de ventilador en su borde de ataque. El diámetro del ventilador (que puede ser simplemente el doble del radio del ventilador) puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de: 50 cm, 60 cm, 70 cm (alrededor de 27,5 pulgadas), 80 cm (alrededor de 31,5 pulgadas), 90 cm, 100 cm (alrededor de 39 pulgadas), 110 cm (alrededor de 43 pulgadas), 120 cm (alrededor de 47 pulgadas), 130 cm (alrededor de 51 pulgadas), 140 cm (alrededor de 55 pulgadas), 150 cm (alrededor de 59 pulgadas) o 160 cm (alrededor de 130 pulgadas). El diámetro del ventilador puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores), por ejemplo en el rango de 50 cm a 70 cm o de 90 cm a 130 cm.
El área de la cara del ventilador se puede calcular como n multiplicado por el cuadrado del radio de la punta del ventilador.
La velocidad de giro del ventilador puede variar según el uso. Generalmente, la velocidad de giro es menor para ventiladores con mayor diámetro. Exclusivamente a modo de ejemplo no limitativo, la velocidad de giro del ventilador en condiciones de crucero puede ser inferior a 10.000 r.p.m., por ejemplo inferior a 9.000 r.p.m. Exclusivamente a modo de ejemplo no limitativo adicional, la velocidad de giro del ventilador en condiciones de crucero para un motor que tiene un diámetro de ventilador en el rango de 50 cm a 90 cm (por ejemplo, 60 cm a 80 cm o 65 cm a 75 cm) puede estar en el rango de 7.000 r.p.m. a 22.000 r.p.m., por ejemplo en el rango de 7.000 r.p.m. a 16.000 r.p.m., por ejemplo en el rango de 7.500 r.p.m. a 14.000 r.p.m. Exclusivamente a modo de ejemplo no limitativo adicional, la velocidad de giro del ventilador en condiciones de crucero para un motor que tiene un diámetro de ventilador en el rango de 90 cm a 150 cm puede estar en el rango de 4.500 r.p.m. a 12.500 r.p.m., por ejemplo en el rango de 4.500 r.p.m. a 10.000 r.p.m., por ejemplo en el rango de 6.000 r.p.m. a 10.000 r.p.m.
En el uso del motor de turbina de gas turboventilador, el ventilador (con las aspas de ventilador asociadas) gira alrededor de un eje de giro. Este giro da como resultado que la punta de las aspas de ventilador se mueva con una velocidad Upunta. El trabajo realizado por las aspas 13 de ventilador sobre el flujo da como resultado un aumento de entalpía dH del flujo. La carga de la punta del ventilador se puede definir como dH/Upunta2, donde dH es el aumento de entalpía (por ejemplo, el aumento de entalpía promedio 1-D) a través del ventilador y Upunta es la velocidad (de traslación) de la punta del ventilador, por ejemplo en el borde de ataque de la punta (que puede definirse como el radio de la punta del ventilador en el borde de ataque multiplicado por la velocidad angular). La carga de la punta del ventilador en condiciones de crucero puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de: 0,22, 0,23, 0,24, 0,25, 0,26, 0,27, 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 o 0,40 (todos los valores son adimensionales). La carga de la punta del ventilador puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores), por ejemplo en el rango de 0,28 a 0,31 o de 0,29 a 0,30.
Los motores de turbina de gas turboventilador de acuerdo con la presente descripción pueden tener cualquier relación de derivación deseada, donde la relación de derivación se define como la relación entre el caudal másico del flujo a través del conducto de derivación y el caudal másico del flujo a través del núcleo en condiciones de crucero. En algunas disposiciones, la relación de derivación puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9, 1,0, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 o 1,5. La relación de derivación puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores), por ejemplo en el rango de 0,4 a 1,0, 0,5 a 0,9 o 0,6 a 0,9. El conducto de derivación puede ser esencialmente anular. El conducto de derivación puede estar radialmente fuera del motor central. La superficie radialmente exterior del conducto de derivación puede estar delimitada por una góndola y/o una caja de ventilador.
La relación de presión general de un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento se puede definir como la relación entre la presión de estancamiento aguas arriba del ventilador y la presión de estancamiento a la salida del compresor de mayor presión (antes de la entrada a la cámara de combustión). A modo de ejemplo no limitativo, la relación de presión global de un motor de turbina de gas como se describe y/o se reivindica en el presente documento en crucero puede ser mayor que (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 10, 15, 20, 25, 30, 35 o 40. La relación de presión global puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores), por ejemplo en el rango de 20 a 35.
Un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede tener cualquier empuje máximo deseado. Exclusivamente a modo de ejemplo no limitativo, una turbina de gas como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede ser capaz de producir un empuje máximo de al menos (o del orden de) cualquiera de los siguientes: 20 kN, 40 kN, 60 kN, 80 kN, 100 kN, 120 kN, 140 kN, 160 kN, 180 kN o 200 kN. El empuje máximo puede estar en un rango inclusivo limitado por dos valores cualesquiera de la oración anterior (es decir, los valores pueden formar límites superiores o inferiores). Exclusivamente a modo de ejemplo, una turbina de gas como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede ser capaz de producir un empuje máximo en el rango de 60 kN a 160 kN, por ejemplo de 70 kN a 120 kN. El empuje mencionado anteriormente puede ser el empuje neto máximo en condiciones atmosféricas estándar al nivel del mar más 15 grados C (presión ambiente 101,3 kPa, temperatura 30 grados C), con el motor estático.
Un aspa de ventilador y/o una porción de perfil aerodinámico de un aspa de ventilador descrita y/o reivindicada en el presente documento pueden fabricarse a partir de cualquier material o combinación de materiales adecuados. Por ejemplo, al menos una parte del aspa de ventilador y/o del perfil aerodinámico se puede fabricar al menos en parte a partir de un compuesto, por ejemplo un compuesto de matriz metálica y/o un compuesto de matriz orgánica, como fibra de carbono. A modo de ejemplo adicional, al menos una parte del aspa de ventilador y/o del perfil aerodinámico se puede fabricar al menos en parte a partir de un metal, como un metal a base de titanio o un material a base de aluminio (como una aleación de aluminio-litio) o un material a base de acero. El aspa de ventilador puede comprender al menos dos zonas fabricadas con materiales diferentes. Por ejemplo, el aspa de ventilador puede tener un borde de ataque protector, que puede fabricarse utilizando un material que sea más capaz de resistir impactos (por ejemplo, de pájaros, hielo u otro material) que el resto del aspa. Un borde de ataque de este tipo puede fabricarse, por ejemplo, utilizando titanio o una aleación a base de titanio. Por tanto, exclusivamente a modo de ejemplo, el aspa de ventilador puede tener un cuerpo a base de fibra de carbono o de aluminio (como una aleación de aluminio y litio) con un borde de ataque de titanio.
Un ventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede comprender una porción central, desde la cual las aspas de ventilador pueden extenderse, por ejemplo en una dirección radial. Las aspas de ventilador se pueden unir a la porción central de cualquier manera deseada. Por ejemplo, cada aspa de ventilador puede comprender un dispositivo que puede acoplarse a una ranura correspondiente en el buje (o disco). Exclusivamente a modo de ejemplo, dicho dispositivo puede tener la forma de una cola de milano que puede encajar y/o acoplarse en una ranura correspondiente en el buje/disco para fijar el aspa del ventilador al buje/disco. A modo de ejemplo adicional, las aspas de ventilador pueden formarse integralmente con una porción central. Una disposición de este tipo puede denominarse disco de aspas o anillo de aspas. Se puede utilizar cualquier método adecuado para fabricar dicho disco de aspas o anillo de aspas. Por ejemplo, al menos una parte de las aspas de ventilador se puede mecanizar a partir de un bloque y/o al menos parte de las aspas de ventilador se pueden unir al buje/disco mediante soldadura, como soldadura por fricción lineal.
Los motores de turbina de gas turboventilador descritos y/o reivindicados en el presente documento pueden estar provistos o no con una boquilla de área variable (VAN). Dicha boquilla de área variable puede permitir variar el área de salida del conducto de derivación durante su uso. Los principios generales de la presente descripción pueden aplicarse a motores con o sin VAN.
El ventilador de un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento puede tener cualquier número deseado de aspas de ventilador, por ejemplo 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34, o 36 aspas de ventilador.
De acuerdo con un aspecto de la descripción, se proporciona una aeronave que comprende un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento. La aeronave de acuerdo con este aspecto es la aeronave para la que se ha diseñado que se instale el motor de turbina de gas. Por consiguiente, las condiciones de crucero de acuerdo con este aspecto corresponden al crucero medio de la aeronave, como se define en otra parte en el presente documento.
De acuerdo con un aspecto de la descripción, se proporciona un método que hace funcionar un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento. El funcionamiento puede realizarse en las condiciones de crucero definidas en otra parte en el presente documento (por ejemplo, en términos de empuje, condiciones atmosféricas y número de Mach).
De acuerdo con un aspecto de la descripción, se proporciona un método que hace funcionar una aeronave que comprende un motor de turbina de gas turboventilador como se describe y/o se reivindica en el presente documento. El funcionamiento de acuerdo con este aspecto puede incluir (o puede ser) el funcionamiento a mitad de crucero de la aeronave, como se define en otra parte en el presente documento.
Otros aspectos de la descripción proporcionan dispositivos, métodos y sistemas que incluyen y/o implementan algunas o todas las acciones descritas en el presente documento. Los aspectos ilustrativos de la descripción están diseñados para resolver uno o más de los problemas descritos en el presente documento y/o uno o más problemas no comentados.
Breve descripción de los dibujos
A continuación sigue una descripción de un modo de realización de la descripción, a modo de ejemplo no limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los que:
La figura 1 muestra una vista esquemática en sección parcial de un motor de turbina de gas turboventilador de acuerdo con el estado de la técnica;
La figura 2 muestra una vista esquemática en sección parcial de un motor de turbina de gas turboventilador de acuerdo con un primer modo de realización de la descripción;
La figura 3 muestra una vista esquemática en perspectiva del módulo intercambiador de calor del motor turboventilador de la figura 2 que muestra el conjunto circunferencial de paletas que forman el módulo intercambiador de calor; La figura 4 muestra una vista esquemática en sección parcial de una parte del conjunto de paletas del módulo intercambiador de calor de la figura 3;
La figura 5A de un ejemplo que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones muestra una vista axial esquemática de un conjunto de intercambiador de calor que tiene una sección transversal circular;
La figura 5B muestra una vista axial esquemática de un conjunto de intercambiador de calor que tiene una sección transversal cuadrada aguda;
La figura 5C de un ejemplo que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones muestra una vista axial esquemática de un conjunto de intercambiador de calor que tiene una sección transversal cuadrada redondeada; La figura 5D muestra una vista en sección esquemática de los conjuntos de intercambiadores de calor de las figuras 5A, 5B y 5C;
La figura 6 muestra una vista axial esquemática del conjunto de intercambiador de calor de la figura 5C que muestra la disposición alterna de elementos de transferencia de calor de esquina y borde;
La figura 7 de un ejemplo que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones muestra la variación en el radio de las esquinas para el conjunto de intercambiador de calor de la figura 5C;
La figura 8 muestra el cambio en la pérdida de presión a través del conjunto de intercambiador de calor para los conjuntos de intercambiadores de calor de las figuras 5A (circular), 5B (cuadrada aguda) y 5C (cuadrada redondeada); La figura 9 muestra una vista en sección axial esquemática a través de una de las paletas del conjunto de paletas del módulo intercambiador de calor de la figura 3;
La figura 10 muestra una vista esquemática en perspectiva de un elemento de transferencia de calor del módulo intercambiador de calor de la figura 3;
La figura 11A muestra una vista esquemática de la paleta de la figura 9 con un modulador de flujo en forma de primeras paletas dispuestas aguas arriba de la entrada a la paleta;
La figura 11B; muestra una vista esquemática de la paleta de la figura 9 con un modulador de flujo en forma de segundas paletas dispuestas aguas abajo del escape de la paleta;
La figura 11C muestra una vista esquemática de la paleta de la figura 9 con un modulador de flujo en forma de una disposición VIGV;
La figura 12A muestra una vista en sección axial esquemática a través de una de las paletas del conjunto de paletas del módulo intercambiador de calor de la figura 3 con el modulador de flujo formando la porción de escape de la paleta y el modulador en una posición 'abierta'; y
La figura 12A muestra una vista en sección axial esquemática de la paleta de la figura 12A con el modulador en una posición 'cerrada'.
Cabe señalar que es posible que los dibujos no estén a escala. Los dibujos pretenden representar sólo aspectos normales de la descripción y, por lo tanto, no deben considerarse limitativos del alcance de la descripción. En los dibujos, la misma numeración representa elementos similares entre los dibujos.
Descripción detallada
La figura 1 ilustra un motor 10 de turbina de gas turboventilador convencional que tiene un eje 9 de giro principal. El motor 10 comprende una entrada 12 de aire y un ventilador 13 propulsor de dos etapas que genera dos flujos de aire: un flujo A de aire central y un flujo B de aire de derivación. El motor 10 de turbina de gas comprende un núcleo 11 que recibe el flujo A de aire central. El núcleo 11 del motor comprende, en serie de flujo axial, un compresor 14 de baja presión, un compresor 15 de alta presión, un equipo 16 de combustión, una turbina 17 de alta presión, una turbina 18 de presión intermedia, una turbina 19 de baja presión y una boquilla 20 de escape del núcleo. Una góndola 21 rodea el motor 10 de turbina de gas y delimita un conducto 22 de derivación y una boquilla 18 de escape de derivación. El flujo B de aire de derivación fluye a través del conducto 22 de derivación. El ventilador 13 está unido a la turbina 19 de baja presión y accionado por la misma a través de un árbol 26.
En uso, el flujo A de aire central es acelerado y comprimido por el compresor 14 de baja presión y dirigido al compresor 15 de alta presión donde tiene lugar una compresión adicional. El aire comprimido que sale del compresor 15 de alta presión se dirige al equipo 16 de combustión donde se mezcla con combustible y se quema la mezcla. Los productos de combustión calientes resultantes luego se expanden a través de, y por lo tanto accionan, las turbinas 17, 18, 19 de alta presión, presión intermedia y baja presión, antes de ser expulsados a través de la boquilla 20 para proporcionar algo de empuje propulsor. La turbina 17 de alta presión acciona el compresor 15 de alta presión mediante un árbol 27 de interconexión adecuado. El compresor 14 de baja presión acciona la turbina 18 de presión intermedia a través de un árbol 28.
Cabe señalar que los términos "turbina de baja presión" y "compresor de baja presión" como se utilizan en el presente documento pueden entenderse como las etapas de turbina de presión más baja y las etapas de compresor de presión más baja (es decir, sin incluir el ventilador 13) respectivamente y/o etapas del compresor y la turbina que están conectadas entre sí por el árbol 26 de interconexión con la velocidad de giro más baja en el motor. En alguna literatura, la "turbina de baja presión" y el "compresor de baja presión" a los que se hace referencia en el presente documento pueden conocerse como alternativa como "turbina de presión intermedia" y "compresor de presión intermedia". Cuando se utiliza dicha nomenclatura alternativa, el ventilador 13 puede denominarse etapa de compresión primera o de presión más baja.
Otros motores de turbina de gas turboventilador a los que se puede aplicar la presente descripción pueden tener configuraciones alternativas. Por ejemplo, dichos motores pueden tener un número alternativo de ventiladores y/o compresores y/o turbinas y/o un número alternativo de árboles de interconexión. A modo de ejemplo adicional, el motor de turbina de gas mostrado en la figura 1 tiene una boquilla 20, 23 de flujo dividido, lo que significa que el flujo a través del conducto 22 de derivación tiene su propia boquilla 23 que está separada y radialmente fuera de la boquilla 20 del motor central. Sin embargo, esto no es limitante, y cualquier aspecto de la presente descripción también puede aplicarse a motores en los que el flujo a través del conducto 22 de derivación y el flujo a través del motor 11 central se mezclan, o combinan, antes (o aguas arriba de) una única boquilla, que puede denominarse boquilla de flujo mixto. Una o ambas boquillas (ya sean de flujo mixto o dividido) pueden tener un área fija o variable.
Si bien el ejemplo descrito se refiere a un motor turboventilador, la descripción puede aplicarse, por ejemplo, a cualquier tipo de motor de turbina de gas, como, por ejemplo, un rotor abierto (en el que la etapa de ventilador no está rodeada por una góndola) o un motor turbopropulsor.
La geometría del motor 10 de turbina de gas turboventilador, y los componentes de la misma, está definida por un sistema de ejes convencional, que comprende una dirección axial (que está alineada con el eje 9 de giro), una dirección radial (en la dirección de abajo hacia arriba en la figura 1), y una dirección circunferencial (perpendicular a la página en la vista de la figura 1). Las direcciones axial, radial y circunferencial son perpendiculares entre sí.
Haciendo referencia a la figura 2, un motor de turbina de gas turboventilador que tiene un intercambiador de calor de entrada se designa generalmente con el número de referencia 100. El motor 100 de turbina de gas turboventilador comprende, en secuencia de flujo axial, un módulo 110 intercambiador de calor, un conjunto 130 de ventilador, un módulo 140 compresor, un módulo 150 de turbina y un módulo 156 de escape.
En esta disposición, el conjunto 130 de ventilador comprende dos etapas 131 de ventilador, cada etapa 131 de ventilador que comprende una pluralidad de aspas 132 de ventilador. En la presente disposición, cada etapa 131 de ventilador tiene el mismo diámetro 136 de ventilador, la respectiva pluralidad de aspas de ventilador que delimitan un diámetro de ventilador de 0,9 m. En una disposición alternativa, las dos etapas 131 de ventilador pueden tener diferentes diámetros 136 de ventilador, cada uno delimitado por la correspondiente pluralidad de aspas 132 de ventilador. Como se mencionó anteriormente, el diámetro (D) 136 de ventilador está delimitado por un círculo circunscrito por los bordes de ataque de la pluralidad respectiva de aspas 132 de ventilador.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva del módulo 110 intercambiador de calor y el conjunto 130 de ventilador del motor 100 de turbina de gas turboventilador. El módulo 110 intercambiador de calor comprende doce paletas 120 que se extienden radialmente dispuestas en un conjunto 122 circunferencial equiespaciado con un canal 124 que se extiende axialmente entre cada par de paletas 120 huecas adyacentes. Los modos de realización alternativos pueden tener más o menos paletas 120 que se extienden radialmente.
Cada una de las paletas 120 es hueca y comprende cuatro elementos 112 de transferencia de calor dispuestos en una configuración de 2x2 que se extiende axialmente a lo largo del interior hueco de la paleta 120, como se muestra en la figura 9. Los modos de realización alternativos pueden no tener un elemento 112 de transferencia de calor dentro de cada paleta 120 o pueden tener un número diferente de elementos 112 de transferencia de calor en cualquier paleta 120 única.
Cada uno de los elementos 112 de transferencia de calor tiene un área barrida correspondiente, que es el área del elemento 112 de transferencia de calor que entra en contacto con el flujo 104 de aire. En la presente disposición, el área total del elemento de transferencia de calor barrido (A<hte>) es la suma del área barrida de cada uno de los elementos 112 individuales de transferencia de calor.
Cada paleta 120 está configurada para permitir que el flujo 104 de aire entrante que pasa a través del módulo 110 de intercambio de calor pase a través de la porción hueca de la paleta 120 y desde allí fluya sobre el respectivo elemento 112 de transferencia de calor. De esta manera se transfiere energía térmica desde el primer fluido 190 al flujo 104 de aire.
En uso, como se ilustra en la figura 4, un flujo 104 de aire que entra al módulo 110 intercambiador de calor se divide entre un conjunto de flujos 106 de aire de paleta a través de cada una de las paletas 120 huecas y un conjunto de flujos 108 de aire de canal a través de cada uno de los canales 124. Cada uno de los flujos 106 de aire de paleta tiene un flujo de caudal másico de paleta Flujopaleta. Cada uno de los flujos 108 de aire de canal tiene un caudal másico de canal Flujooanal.
Un parámetro V<ar>de Relación de Flujo de Aire de Paleta se define como:
V A R=-FlujoPatetaTot
Flujo CanalTot
dónde: FlujoPaletaTot=caudal másico total de los caudales másicos de paleta, Flujopaleta; y
FlujooanalTot=caudal másico total de los caudales másicos de canal, Flujooanal
En el presente modo de realización, el parámetro VAR es 1,0. Dicho de otro modo, en esta disposición el flujo 104 de aire entrante se divide igualmente entre los flujos 106 de aire de paleta y los flujos 108 de aire de canal.
La figura 5A de un ejemplo que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones muestra una vista lateral esquemática del módulo 110 intercambiador de calor. En esta disposición, una pluralidad de paletas 112 que se extienden radialmente están colocadas en un conjunto 122 circunferencial. El módulo 110 intercambiador de calor tiene un perfil 111A de sección transversal circular con un diámetro exterior igual al diámetro D del ventilador representado por el número de referencia 136.
En la figura 5B se ilustra un módulo 210 intercambiador de calor de acuerdo con un primer modo de realización de la descripción. En este modo de realización, el módulo 210 intercambiador de calor tiene un perfil 211A de sección transversal axial cuadrada, en el que una longitud 217 lateral del perfil 211A de sección transversal cuadrada se representa como E.
Como se muestra en la figura 5B, en este modo de realización, la longitud 217 lateral del perfil 211A de sección transversal cuadrada es igual al diámetro 136 de ventilador. Dicho de otro modo, en esta disposición, E es igual a D. En otras disposiciones, E puede ser mayor o menor que D.
La figura 5C de un ejemplo que no entra dentro de la redacción de las reivindicaciones muestra un módulo 310 intercambiador de calor de acuerdo con un segundo modo de realización de la presente descripción. En este segundo modo de realización, el módulo 310 intercambiador de calor tiene un perfil 311a de sección transversal en forma de superelipse. La superelipse está definida por la siguiente ecuación.
donde: x e y son coordenadas cartesianas de un punto de la superelipse;
R es la longitud de la mitad del lado del perfil de sección transversal axial (es decir, R=E/2); y
n se encuentra en el rango entre 2 y 10.
En este modo de realización, el exponente n es 4. En otras disposiciones, el exponente n puede ser mayor que 4 o puede ser menor que 4. La variación en el exponente n cambiará la forma de la zona de la esquina redondeada. La figura 7 muestra la variación en el perfil de las esquinas para superelipses en las que el exponente n es 2, 3, 4, 5 o 7.
Como se ilustra en la figura 5C, una paleta 320 que se extiende radialmente está colocada en cada una de las cuatro esquinas del perfil 311A transversal. Se colocan más paletas 320 que se extienden radialmente entre estas paletas 320 de 'esquina' para formar una disposición 322 circunferencial de paletas 320.
Esto se ilustra con más detalle en la figura 6, que muestra las cuatro paletas 320P de 'esquina', que se extienden radialmente hacia afuera desde el buje 311 central. Cada una de las paletas 320P de 'esquina' comprende al menos un elemento 312P de transferencia de calor correspondiente. Entre cada par de paletas 320P de 'esquina' se coloca una paleta 320R de 'borde' correspondiente. Cada una de las paletas 320R de 'borde' comprende un elemento 312R de transferencia de calor correspondiente.
La figura 5D muestra una vista en sección esquemática a través de los módulos 110, 210, 310 intercambiadores de calor que muestra cómo las paletas 120 y los elementos 112, 212, 312 de transferencia de calor asociados se extienden radialmente hacia afuera desde un buje 111 central.
La figura 8 muestra la reducción en la caída de presión a través del módulo 110, 210, 310 intercambiador de calor que se obtiene mediante el cambio del perfil de sección transversal circular del módulo 110 intercambiador de calor al perfil de sección transversal cuadrada del módulo 210 intercambiador de calor, y luego al perfil de sección transversal de superelipse del módulo 2103 intercambiador de calor.
La figura 9 muestra una sección transversal axial a través de una de las paletas 120 huecas y corresponde a la Sección en 'C-C' de la figura 4. Cada una de las paletas 120 huecas comprende, en secuencia de flujo axial, una porción 125 de entrada, una porción 126 de transferencia de calor y una porción 127 de escape.
La porción 125 de entrada comprende un elemento 128 difusor. El elemento 128 difusor toma la forma de un primer conducto 128A que se extiende axialmente. El primer conducto 128A tiene una sección 128B transversal axial que tiene un perfil 128C linealmente divergente. En uso, el elemento 128 difusor actúa para retardar el flujo 104 de aire entrante al flujo 106 de aire de paleta. El elemento 128 difusor tiene un tamaño de modo que el caudal másico de paleta Flujopaleta es menor que el caudal másico de canal Flujooanal por un margen delimitado por el usuario.
La porción 126 de transferencia de calor aloja los elementos 112 de transferencia de calor. Finalmente, la porción 127 de escape comprende un segundo conducto 127A que se extiende axialmente y que tiene una sección 127B transversal axial que a su vez tiene un perfil 127C linealmente convergente.
La figura 10 muestra una vista esquemática en perspectiva de una superficie orientada radialmente hacia afuera de una paleta 120 hueca. Como se describió anteriormente, en este modo de realización cada paleta está provista de cuatro elementos 112 de transferencia de calor dispuestos en una formación de 2x2. Cada uno de los elementos 112 de transferencia de calor tiene una entrada 112A de fluido y una salida 112B de fluido correspondiente. La entrada 112A de fluido proporciona una alimentación de aceite caliente (no mostrado) al respectivo elemento 112 de transferencia de calor. Cada una de las entradas 112A de fluido está provista de una válvula 112C de entrada actuable que se puede conmutar para cortar el flujo de fluido hacia el elemento 112 de transferencia de calor. Además, cada una de las salidas 112B de fluido está provista de una válvula 112D de entrada actuable que también puede controlarse para cortar el flujo de fluido que sale del elemento 112 de transferencia de calor.
Cada una de las válvulas 112C de entrada de fluido está provista de un sensor 112F de presión de fluido que supervisa la presión del aceite que fluye a través de la entrada 112A. En respuesta a una caída detectada en la presión del fluido medida por el sensor 112F de presión, la válvula 112C de entrada puede actuarse para cortar el flujo de aceite a través del respectivo elemento 112 de transferencia de calor. En esta disposición, la válvula 112D de salida también se actúa en respuesta a una pérdida de presión de aceite para aislar de ese modo el correspondiente elemento 112 de transferencia de calor del flujo de aceite restante.
Cada una de las salidas 112B de fluido está provista con un sensor 112E de flujo de fluido. En el caso de una caída en el caudal de fluido detectada por el sensor 112E de flujo, la correspondiente válvula 112D de salida de fluido (y en esta disposición, la correspondiente válvula 112C de entrada de fluido) se puede actuar para cortar el flujo de aceite a través del elemento 112 de transferencia de calor.
Además de, o como alternativa al elemento 128 difusor descrito anteriormente, la paleta 120 hueca puede estar provista de un modulador 120A de flujo. El modulador 120A de flujo está configurado para regular activamente el flujo 106 de aire de paleta como una proporción de un flujo 104 de aire total que entra al módulo 110 intercambiador de calor en respuesta a un requisito del usuario. Dicho de otro modo, el modulador 120A de flujo proporciona al usuario la capacidad de cambiar activamente el caudal másico de paleta FlujoPaletaTot como una proporción del flujo 104 de aire que entra al motor turboventilador.
En una disposición, mostrada en la figura 11A, el modulador 120A de flujo toma la forma de primeras paletas 125A colocadas aguas arriba de la porción 125 de entrada de la paleta 120 hueca. Las primeras paletas 125A son actuables para restringir el flujo 106 de aire de paleta en respuesta al requisito del usuario de cambiar la relación de los flujos de aire másicos entre la paleta hueca y el canal.
Las primeras paletas 125A también proporcionan una medida de protección a los elementos 112 de transferencia de calor colocados dentro de la paleta 120 hueca contra daños por objetos extraños causados por desechos u otros objetos que entren a la paleta 120 hueca.
La figura 11B ilustra una disposición alternativa para el modulador 120A de flujo en la que las segundas paletas 127D están colocadas aguas abajo de la porción 127 de escape de la paleta 120 hueca. Estas segundas paletas 127D son actuables para restringir el flujo 106 de aire de paleta en respuesta al requisito del usuario de cambiar la relación de los flujos de aire másicos entre la paleta 120 hueca y el canal 124.
En otra disposición alternativa, la figura 11C ilustra un modulador 127E de flujo que toma la forma de la propia porción 127 de escape. En esta disposición, el módulo 110 de intercambio de calor está en acoplamiento cerrado a una disposición 127E de paletas guía de entrada variable (VIGV) actuables. La configuración de acoplamiento cerrado permite que el conjunto 130 de ventilador 'succione' eficazmente el flujo 104 de aire entrante a través de las paletas 120 huecas y los canales 124. Una disposición de este tipo también permite que el conducto 160 de entrada sea más corto y proporciona un motor de turbina de gas turboventilador axialmente más compacto.
En las figuras 12A y 12B se ilustra otra forma alternativa del modulador 120A de flujo. En esta disposición, la porción 127 de escape de la paleta 120 hueca está formada como el modulador 120A de flujo. Dicho de otro modo, la porción 127 de escape está configurada para cambiar su forma en respuesta al requisito del usuario de cambiar la relación de los flujos de aire másicos entre la paleta 120 hueca y el canal 124.
En el ejemplo mostrado en las figuras 12A y 12B, la porción 127 de escape está formada a partir de un material de aleación con memoria de forma. Cuando los elementos 112 de transferencia de calor están en uso, la temperatura del flujo 106 de aire de paleta aumentará y el modulador 120A de flujo se abrirá para permitir de ese modo un mayor flujo de aire másico de paleta Flujopaleta. A la inversa, cuando los elementos 112 de transferencia de calor no están en uso, el flujo 106 de aire de paleta tendrá una temperatura más baja, provocando que el modulador 120A de flujo se cierre y restrinja el flujo de aire másico de paleta FlujoPaleta. Por lo tanto, esto reducirá las pérdidas aerodinámicas asociadas con el flujo a través de las paletas 120 huecas cuando no se requiere la capacidad de transferencia de calor de los elementos 112 de transferencia de calor.
El módulo 110 intercambiador de calor está en comunicación fluida con el conjunto 130 de ventilador mediante un conducto 160 de entrada. El módulo 110 de intercambio de calor tiene una longitud 115 axial de 0,4 m, siendo ésta 0,4 veces el diámetro del ventilador de 0,9 m.
El conducto 160 de entrada se extiende entre una cara más aguas abajo de los elementos de transferencia de calor y una cara más aguas arriba del conjunto de ventilador. En la presente disposición, el conducto 160 de entrada es lineal. Sin embargo, en otras disposiciones el conducto 160 de entrada puede ser curvado o enrollado.
El conducto 160 de entrada tiene una longitud 164 de trayectoria de fluido de 3,6 m, siendo ésta 4,0 veces el diámetro del ventilador de 0,9 m. La longitud 164 de la trayectoria de fluido se extiende a lo largo de un eje 162 central del conducto 160 de entrada.
Como se describió anteriormente, el módulo 110 intercambiador de calor tiene un área 118 de flujo (A<hex>). El área 118 de flujo del módulo intercambiador de calor es el área de la sección transversal del módulo 110 intercambiador de calor a través de la cual pasa un flujo 104 de aire antes de ser absorbido por el conjunto 130 de ventilador. En la presente disposición, el área 118 de flujo del módulo intercambiador de calor tiene una sección transversal anular y corresponde directamente a la forma del flujo de aire que pasa a través del módulo 110 intercambiador de calor.
El conjunto 130 de ventilador tiene un área 138 de flujo correspondiente (A<vent>). El área 138 de flujo del conjunto de ventilador es el área de la sección transversal del conjunto 130 de ventilador a través de la cual pasa un flujo 104 de aire antes de separarse en un flujo de motor central y un flujo de derivación. El área 138 de flujo del conjunto de ventilador tiene una forma anular ya que corresponde al área anular barrida por las aspas 132 de ventilador.
En la presente disposición, el área 118 de flujo del módulo intercambiador de calor es igual al área 138 de flujo del conjunto de ventilador, y la relación correspondiente de A<hex>/A<vent>es igual a 1,0.
El módulo 110 intercambiador de calortiene un diámetro (E) 116 de flujo, que es el diámetro del flujo de aire que pasa a través del módulo 110 intercambiador de calor. En la presente disposición, el diámetro 116 de flujo del módulo intercambiador de calor es igual al diámetro 136 de ventilador.
El módulo 110 intercambiador de calor comprende una pluralidad de elementos 112 de transferencia de calor para la transferencia de energía térmica desde un primer fluido 190 contenido dentro de los elementos 112 de transferencia de calor a un flujo 104 de aire que pasa sobre una superficie 113 de los elementos 112 de transferencia de calor antes de la entrada del flujo 104 de aire hacia el interior del conjunto 130 de ventilador. En el presente modo de realización, el primer fluido 190 es un aceite mineral. En otras disposiciones, el primer fluido 190 puede ser un fluido de transferencia de calor alternativo como, por ejemplo, un fluido a base de agua o el combustible utilizado por el motor de turbina de gas turboventilador.
Los elementos 112 de transferencia de calor tienen una construcción de tubo y aleta convencional y no se describirán con más detalle. En una disposición alternativa, los elementos de transferencia de calor pueden tener una construcción diferente como, por ejemplo, placa y recubrimiento.
El motor 100 de turbina de gas turboventilador comprende además una carcasa 170 exterior. La carcasa 170 exterior encierra completamente la disposición secuencial del módulo 110 intercambiador de calor, el conducto 160 de entrada, el conjunto 130 de ventilador, el módulo 140 compresor y el módulo 150 de turbina. La carcasa 170 exterior delimita un conducto 180 de derivación entre la carcasa 170 exterior y los componentes del motor central (que comprendenentre otrosel módulo 140 compresor y el módulo 150 de turbina). En la presente disposición, el conducto 180 de derivación tiene una sección transversal anular generalmente simétrica en cuanto al eje que se extiende sobre los componentes del motor central. En otras disposiciones, el conducto 180 de derivación puede tener una sección transversal anular no simétrica o puede no extenderse alrededor de una circunferencia completa de los componentes del motor central.
Ha de entenderse que la invención no se limita a los modos de realización descritos anteriormente y se pueden realizar diversas modificaciones y mejoras sin apartarse de los conceptos descritos en el presente documento.
La invención incluye métodos que pueden realizarse utilizando los dispositivos en cuestión. Los métodos pueden comprender el acto de proporcionar dicho dispositivo adecuado. Dicha prestación podrá ser realizada por el usuario final. Dicho de otro modo, el acto de "proporcionar" simplemente requiere que el usuario final obtenga, acceda, se acerque, posicione, configure, active, encienda o actúe de otro modo para proporcionar el dispositivo requerido en el método en cuestión.
Además, cuando se proporciona un rango de valores, se entiende que cada valor intermedio, entre el límite superior e inferior de ese rango y cualquier otro valor declarado o intermedio en ese rango declarado, está abarcado dentro de la invención.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un motor (100) de turbina de gas turboventilador que comprende, en secuencia de flujo axial, un módulo (210, 310) intercambiador de calor, un conjunto (130) de ventilador, un módulo (140) compresor, un módulo (150) de turbina, y un módulo (160) de escape, el conjunto (130) de ventilador que comprende una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan un diámetro (D) de ventilador, el módulo (210, 310) intercambiador de calor que está en comunicación fluida con el conjunto (130) de ventilador mediante un conducto de entrada, el módulo (210, 310) intercambiador de calor que comprende una pluralidad de paletas (120, 220) huecas que se extienden radialmente dispuestas en un conjunto circunferencial con un canal (124) que se extiende axialmente entre cada par de paletas (120, 220) huecas adyacentes, caracterizado por que el módulo (210, 310) intercambiador de calortiene un perfil (211A, 311A) de sección transversal axial cuadrada.
2. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según la reivindicación 1, en donde el perfil (211A, 311A) de sección transversal axial cuadrada comprende una longitud E lateral, la longitud E lateral que está en el rango de entre 1,0*D y 1,5*D.
3. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según la reivindicación 1, en donde una longitud E lateral del perfil (211A, 311A) de sección transversal cuadrada es menor que D.
4. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada esquina del perfil (211A, 311A) de sección transversal cuadrada comprende un perfil curvado.
5. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde cada una de las cuatro zonas de esquina del perfil (211A, 311A) de sección transversal del módulo (210, 310) intercambiador de calor acomoda una de las paletas (120, 220) huecas.
6. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde un flujo de aire que entra al módulo (210, 310) intercambiador de calor se divide entre un conjunto de flujos (106) de aire de paleta a través de cada paleta (120, 220) hueca, y un conjunto de flujos (108) de aire de canal a través de cada canal (124), al menos una de las paletas (120, 220) huecas acomoda al menos un elemento (112) de transferencia de calor para la transferencia de calor desde un primer fluido contenido dentro del o cada elemento (112) de transferencia de calor al o cada flujo (106) de aire de paleta correspondiente que pasa sobre una superficie del o cada elemento (112) de transferencia de calor.
7. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según la reivindicación 6, en donde el o cada elemento (112) de transferencia de calor se extiende axialmente dentro de la correspondiente paleta (120, 220) hueca.
8. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde el diámetro D del ventilador está dentro del rango de 0,3 m a 2,0 m, preferiblemente dentro del rango de 0,4 m a 1,5 m, y más preferiblemente en el rango de 0,7 m a 1,0 m.
9. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el módulo (210, 310) intercambiador de calor tiene un área de flujo A<hex>y el módulo (130) de ventilador tiene un área de flujo A<vent>, y una relación de A<vent>a A<hex>que está en el rango de 0,6 a 1,0.
10. El motor (100) de turbina de gas turboventilador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el conjunto (130) de ventilador tiene dos o más etapas (131) de ventilador, al menos una de las etapas (131) de ventilador que comprende una pluralidad de aspas (132) de ventilador que delimitan el diámetro D del ventilador.
11. El motor (100) de turbina de gas turboventilador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde, en uso, un flujo de aire que entra al módulo (210, 310) intercambiador de calor con una velocidad media de 0,4M, se divide entre el conjunto de flujos (106) de aire de paleta que tienen una velocidad media de 0,2M, y el conjunto de flujos (108) de aire de canal que tienen una velocidad media de 0,6M.
12. Un método que hace funcionar un motor (100) de turbina de gas turboventilador, el motor (100) de turbina de gas que comprende, en secuencia de flujo axial, un módulo (210, 310) intercambiador de calor, un conducto de entrada, un conjunto de ventilador, un módulo compresor, y un módulo de turbina, y un módulo de escape, el conjunto de ventilador que comprende una pluralidad de aspas de ventilador que delimitan un diámetro (D) de ventilador, y en donde el método comprende las etapas de:
(i) proporcionar el conjunto de ventilador, el módulo compresor, y el módulo de turbina, y el módulo de escape;
caracterizado por que el método comprende las etapas adicionales de:
(ii) proporcionar al módulo (210, 310) intercambiador de calor un perfil (211A, 311A) de sección transversal axial cuadrada, donde una longitud lateral de la sección transversal cuadrada es D;
(iii) colocar el módulo (210, 310) intercambiador de calor en comunicación fluida con el conjunto de ventilador por el conducto de entrada;
(iii) proporcionar al módulo intercambiador de calor una pluralidad de paletas (120, 220) huecas que se extienden radialmente dispuestas en un conjunto circunferencial con un canal que se extiende axialmente entre cada par de paletas (120, 220) huecas adyacentes, al menos una de las paletas (120, 220) huecas que acomoda al menos un elemento (112) de transferencia de calor para la transferencia de energía térmica desde un primer fluido contenido dentro del o cada elemento (112) de transferencia de calor a un flujo de aire de paleta correspondiente a través de la o cada paleta (120, 220) hueca y sobre una superficie del o cada elemento (112) de transferencia de calor; y
(iv) hacer funcionar el motor de turbina de gas de manera que un flujo de aire que entra al módulo (210, 310) de intercambio de calor se divide entre el conjunto de flujos (106) de aire de paleta a través de cada paleta (120, 220) hueca, y un conjunto de flujos (108) de aire de canal a través cada canal (124).
13. El método según la reivindicación 12, en donde la etapa (ii) comprende la etapa de:
(ii)' proporcionar al módulo (210, 310) intercambiador de calor un perfil (211A, 311A) de sección transversal axial cuadrada en el que cada esquina del perfil (211A, 311A) de sección transversal comprende un perfil curvado.
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