ES2223410T3 - Camara de combustion para un motor de turbina de gas. - Google Patents
Camara de combustion para un motor de turbina de gas.Info
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Abstract
Una cámara de combustión (1) para un motor de turbina de gas, teniendo la cámara de combustión: extremos anterior y posterior (10, 12) respecto al sentido del flujo del gas de la combustión (D) a través de éstos, una pared interior (4), una pared exterior (2) separada de la pared interior para definir de este modo una cavidad (13) entre las paredes, teniendo la pared exterior (2) una pluralidad de orificios de refrigeración de choque (3) a través de ésta, por lo que, durante el funcionamiento del motor, puede pasar el aire comprimido (C) que rodea a la cámara (1) a través de los orificios de choque (3) para chocar con la pared interior (4), teniendo la pared interior una pluralidad de orificios de efusión (5) a través de ésta, por lo que puede emitir el aire de la cavidad (13) entre las paredes interior y exterior a la cámara de combustión, habiendo un número mayor de orificios de efusión que de orificios de choque; caracterizada porque los orificios de efusión (5) están dispuestos en grupos, comprendiendo cada grupo una pluralidad de orificios de efusión (5a) separados de forma sustancialmente igual entre sí alrededor de un orificio de efusión central (5b), teniendo cada grupo de orificios de efusión (5) un orificio de choque (3) situado en la pared exterior, de tal modo que el aire puede pasar a través del orificio de choque para chocar con la pared interior (4) en una posición predeterminada (14) respecto al orificio de efusión central (5b) dentro de un límite definido por el grupo de orificios de difusión.
Description
Cámara de combustión para un motor de turbina de
gas.
La presente invención se refiere a los motores de
turbina de gas y, en concreto, a la refrigeración de las paredes de
la cámara de combustión de los motores de este tipo.
Las cámaras de combustión de los motores de
turbina de gas están sometidas a muy elevadas temperaturas en el
uso, y, al hacer esfuerzos para aumentar la eficiencia del motor,
se desean temperaturas de funcionamiento superiores. No obstante,
la capacidad de las paredes de la cámara de combustión para resistir
temperaturas superiores se vuelve un factor limitante en el
desarrollo de los motores. Constantemente se están desarrollando
nuevos materiales de pared para resistir temperaturas superiores
pero, por lo general, llevan asociados alguna desventaja funcional
o de coste. Al hacerse más exóticas las aleaciones metálicas,
tienden a ser más caras, tanto en los materiales necesarios como en
la complejidad de la fabricación. Los materiales cerámicos, por otro
lado, aunque pueden resistir temperaturas elevadas, tienden a
presentar una reducida resistencia mecánica.
Un enfoque alternativo para el desarrollo de
nuevos materiales es mejorar los sistemas para refrigerar las
paredes en el uso. En un sistema de refrigeración por aire, la
cámara de combustión está formada con paredes gemelas separadas
entre sí por una distancia pequeña. El aire comprimido del compresor
del motor rodea a las cámaras de combustión dentro del cárter del
motor, y los orificios formados en la pared exterior de las paredes
gemelas de la cámara permiten que el aire choque con la pared
interior, creando un primer efecto refrigerante. Normalmente se
hace referencia a estos orificios como los orificios de choque. A
continuación, el aire en el espacio entre las paredes se deja pasar
a la cámara de combustión a través de una serie de orificios
menores, a los que normalmente se hace referencia como los
orificios de efusión, a través de la pared interior, que están
dispuestos para ayudar al flujo laminar del aire refrigerante en
una película sobre la superficie interior de la pared interior,
refrigerándola y proporcionando una capa protectora de los gases de
la combustión en la cámara. Se desvelan ejemplos de disposiciones
refrigerantes de este tipo en los documentos
GB-A-2173891,
US-A-5758504 y
GB-A-2176274. Este tipo de
disposición puede tener un efecto significativo para ampliar la vida
útil de una cámara de combustión.
Se ha comprobado ahora que, adoptando una
disposición concreta de los orificios de efusión y los orificios de
choque asociados, se puede aumentar el efecto refrigerante.
Según la invención, se proporciona una cámara de
combustión para un motor de turbina de gas, teniendo la cámara de
combustión:
extremos anterior y posterior respecto al sentido
del flujo del gas de la combustión a través de éstos,
una pared interior,
una pared exterior separada de la pared interior
para definir de este modo una cavidad entre las paredes,
teniendo la pared exterior una pluralidad de
orificios de refrigeración de choque a través de ésta, por lo que,
durante el funcionamiento del motor, puede pasar el aire comprimido
que rodea a la cámara a través de los orificios de choque para
chocar con la pared interior,
teniendo la pared interior una pluralidad de
orificios de efusión a través de ésta, por lo que puede emitir el
aire de la cavidad entre las paredes interior y exterior a la
cámara de combustión, habiendo un número mayor de orificios de
efusión que de orificios de choque;
en la que los orificios de efusión están
dispuestos en grupos, comprendiendo cada grupo una pluralidad de
orificios de efusión separados de forma sustancialmente igual entre
sí alrededor de un orificio de efusión central, teniendo cada grupo
de orificios de efusión un orificio de choque situado en la pared
exterior de tal modo que el aire que pasa a través del orificio de
choque choca con la pared interior en una posición predeterminada
respecto al orificio de efusión central dentro de un límite
definido por el grupo de orificios de difusión.
Preferentemente, los orificios de efusión están
dispuestos en grupos de siete, comprendiendo seis orificios de
efusión separados de forma sustancialmente igual alrededor de un
séptimo orificio de efusión. La posición predeterminada del
orificio de choque respecto al orificio de efusión central es
preferentemente tal que el aire que pasa a través del orificio de
choque choca con la pared interna más cerca del orificio de efusión
central que de los otros orificios de efusión, y está alineado con
el orificio de efusión central a lo largo de la dirección del flujo
del gas de la combustión en la cámara. Por lo tanto, cada orificio
de choque puede estar situado anteriormente o posteriormente al
orificio de efusión central en el grupo, pero está dispuesto más
preferentemente posteriormente al orificio de efusión central, de
tal modo que la línea central del orificio de choque está separada
de la línea central del orificio de efusión central por una
distancia al menos igual al diámetro del orificio de choque.
Los grupos están dispuestos adecuadamente en
filas que se extienden circunferencialmente a la cámara. Para
conveniencia en la fabricación y para asegurar flujos de aire
uniformes, cada grupo puede estar separado del siguiente de la fila
por una distancia sustancialmente igual a la separación entre
orificios adyacentes en un grupo, y los grupos de una cualquiera de
las filas pueden estar desplazados circunferencialmente de los de
la fila adyacente, o de los de cada fila adyacente, por una
distancia sustancialmente igual a la mitad de la distancia entre
los orificios centrales en los grupos adyacentes en una fila.
Además, la separación longitudinal entre las filas puede ser tal que
la distancia entre dos orificios de efusión adyacentes que
pertenezcan a diferentes grupos en filas adyacentes sea la misma
que la distancia entre dos orificios adyacentes en el mismo grupo
de orificios de efusión.
En una forma de realización preferente, se
proporcionan orificios de efusión adicionales centralmente a cada
conjunto de seis orificios definidos entre dos grupos adyacentes en
una fila y el grupo adyacente desplazado en la fila siguiente.
Los tamaños y números relativos de los orificios
de choque y los orificios de efusión son preferentemente tales que,
durante el funcionamiento del motor, la diferencia de presión a
través de la pared exterior es al menos dos veces la diferencia de
presión a través de la pared interior; por ejemplo, aproximadamente
el 70% de la disminución total de presión a través de las paredes
exterior e interior puede ocurrir a través de la pared exterior y el
resto a través de la pared interior.
Se ha comprobado que la temperatura de la pared
de la cámara de combustión durante el funcionamiento del motor es
significativamente inferior usando la disposición de la invención
en comparación con lo que se logra con disposiciones refrigerantes
conocidas. Se obtienen ventajas de la refrigeración aumentada por
película, no solo en el recipiente de la cámara de combustión, sino
también en el conducto de transición que conduce del recipiente a la
entrada de la turbina. La refrigeración aumentada extiende la vida
del recipiente de la cámara de combustión y su conducto de
transición, especialmente cuando se aumentan las temperaturas de
combustión para mejorar la eficiencia de la combustión.
En los dibujos, que ilustran formas de
realización ejemplares de la invención:
Figura 1 es una vista en sección esquemática de
una cámara de combustión;
Figura 2 es una vista parcial ampliada de la
pared de la cámara de combustión dentro de la caja A en la Figura
1;
Figura 3 es un diagrama en planta ampliado que
muestra la disposición de los orificios de refrigeración en un
único grupo de estos orificios;
Figura 4 es una vista similar a la Figura 3 pero
en una escala reducida, y que muestra la relación entre grupos de
orificios de refrigeración adyacentes de acuerdo con una forma de
realización de la invención; y
Figura 5 es una vista correspondiente a la de la
Figura 4, pero que muestra una forma de realización alternativa de
la invención.
Haciendo primero referencia a la Figura 1, el
recipiente de la cámara de combustión 1 tiene una entrada
convencional o extremo anterior 10 para el combustible y el aire de
la combustión y un extremo de escape o posterior 12, estando
indicado el flujo del aire de combustión y los gases de combustión a
través de la cámara mediante las flechas B y D, respectivamente.
Posteriormente al extremo de entrada 10 el recipiente es
generalmente cilíndrico alrededor de su eje longitudinal
L-L y tiene las paredes gemelas 2, 4 separadas por
una pequeña distancia de manera convencional para proporcionar una
cavidad de espacio de aire de refrigeración 13 entre ellas. La
estructura de las paredes gemelas se puede ver más claramente a
partir de la Figura 2, estando provista la pared exterior 2 de
orificios de choque 3 a través de ésta, mientras que la pared
interior 4 tiene orificios de efusión 5 a través de ésta. Aunque los
orificios de choque se muestran en la Figura 2 como normales al eje
longitudinal L-L del recipiente, pueden estar
ventajosamente en ángulo hacia el sentido posterior, en un ángulo
de aproximadamente 30º con el eje L-L, para
contribuir a la creación de un flujo laminar de capa límite o
película refrigerante sobre la superficie interior de la pared
interior 4. Los orificios de efusión están formados
convenientemente mediante perforación por láser. Se verá que los
orificios de choque están dispuestos de tal modo que, durante el
funcionamiento del motor, el aire comprimido C del espacio dentro
del cárter del motor que rodea a la cámara de combustión 1 fluye a
la cavidad 13 entre las paredes 2 y 4 y choca directamente con la
pared interior caliente 4 en una posición desplazada de las
posiciones de los orificios de efusión 5, de modo que se logra un
efecto refrigerante inicial en la pared interior 4 mediante el
choque.
Como se ilustra más claramente en la Figura 3,
los orificios de efusión 5 están dispuestos en grupos poligonales,
comprendiendo cada grupo varios orificios de efusión 5a separados
de forma sustancialmente igual entre sí alrededor de un orificio de
efusión central 5b. Cada grupo de orificios de efusión está asociado
con un orificio de choque respectivo 3 que está situado en la pared
exterior 2, de tal modo que el aire que pasa a través del orificio
de choque choca con la pared interior 4 en una posición
predeterminada 14 respecto al orificio de efusión central. Este
centro de choque 14 está dentro del límite poligonal definido por
los orificios de difusión 5a.
En la forma de realización preferente de la
invención, el aire que pasa a través de los orificios de choque 3
choca con la pared interior 4 más cerca del orificio de efusión
central 5b que de los otros orificios de efusión 5a, estando el
centro de choque 14 alineado con el orificio de efusión central 5b a
lo largo de la dirección D del flujo de gas de la combustión en la
cámara, y preferentemente posteriormente al orificio 5b.
Hemos comprobado que se obtienen los mejores
resultados si los orificios de efusión 5 están dispuestos en la
pared interior 4 en grupos de siete como se muestra, definiendo
cada uno de los seis orificios 5a con el siguiente orificio
adyacente un lado igual de un hexágono, estando el séptimo orificio
de efusión 5b en el centro del hexágono. En este modo mejor de
funcionamiento de la invención, el orificio de choque 3 en la pared
exterior 2 asociado con el grupo está situado posteriormente al
orificio de efusión central 5b, de tal modo que la distancia
horizontal d entre la línea central del orificio central 5b y la
línea central del orificio de choque 3 es al menos igual al diámetro
del orificio de choque. Se verá que los orificios de choque 3
tienen un diámetro significativamente mayor que los orificios de
efusión, aunque el número de orificios de efusión es
sustancialmente mayor que el número de orificios de choque. Los
tamaños y números relativos de los dos tipos de orificio están
diseñados para asegurar que la diferencia de presión a través de la
pared exterior 2 es al menos dos veces la diferencia de presión a
través de la pared interior 4. Preferentemente, aproximadamente el
70% de la disminución de presión a través de las dos paredes ocurre
a través de la pared exterior y el resto a través de la pared
interior.
Una disposición ejemplar de los grupos de
orificios de efusión se muestra en la Figura 4. Los grupos G_{1},
G_{2}, etc., consistiendo cada uno en siete orificios de efusión
5a y 5b y el orificio de choque asociado 3, están dispuestos en
filas paralelas R_{1}, R_{2}, etc., que se extienden
circunferencialmente alrededor del recipiente. Con respecto a la
configuración de los grupos dentro de cada fila, cada grupo G_{1}
está separado del siguiente grupo G_{2} en la fila por una
distancia S, que, como se muestra, es también la separación entre
orificios adyacentes en un grupo a lo largo de cada lado del
hexágono en el que están dispuestos. Con respecto a la relación de
las filas entre sí, los grupos en una fila R_{1} están
desplazados circunferencialmente de los de la siguiente fila
adyacente R_{2} por la mitad de la distancia X entre los
orificios centrales adyacentes 5b_{1}, 5b_{2}. Además, la
separación longitudinal entre las filas es tal que la distancia
entre dos orificios de efusión adyacentes que pertenecen a
diferentes grupos en filas adyacentes es la misma que la distancia
entre dos orificios adyacentes en el mismo grupo. Por lo tanto,
considerando el orificio de efusión 5a_{1}, en el grupo G_{1}
de la fila R_{1} y un orificio de efusión adyacente 5a_{2} de
otro grupo en la fila adyacente R_{2}, la distancia entre ellos es
S.
En una disposición alternativa de grupos mostrada
en la Figura 5, se han añadido orificios de efusión adicionales 5c
para llenar los espacios entre los grupos en la disposición
mostrada en la Figura 4. Esta disposición aumenta más la
uniformidad de la distribución del gas refrigerante a través de la
pared interior, aumentando más la película refrigerante sobre la
superficie interior de la pared interior 4.
Aunque hemos comprobado que los grupos de siete
orificios de efusión son óptimos, como se muestra en las Figuras 3
a 5, no excluimos la posibilidad de que, en algunas circunstancias,
puede ser conveniente tener un número superior o inferior de
orificios de efusión en cada grupo. El número exacto se establecería
mediante referencia a pruebas de modelos (virtuales o materiales)
para tener en cuenta diferentes estándares de combustor y
diferentes estados de combustión. Además, aunque se ha hecho
referencia a que los orificios 5a están igualmente separados
alrededor del orificio central 5b, sería posible, por supuesto,
variar la separación y situación exacta de los orificios
ligeramente sin apartarse del alcance de la invención como se
define en las reivindicaciones.
Claims (14)
1. Una cámara de combustión (1) para un motor de
turbina de gas, teniendo la cámara de combustión:
extremos anterior y posterior (10, 12) respecto
al sentido del flujo del gas de la combustión (D) a través de
éstos,
una pared interior (4),
una pared exterior (2) separada de la pared
interior para definir de este modo una cavidad (13) entre las
paredes,
teniendo la pared exterior (2) una pluralidad de
orificios de refrigeración de choque (3) a través de ésta, por lo
que, durante el funcionamiento del motor, puede pasar el aire
comprimido (C) que rodea a la cámara (1) a través de los orificios
de choque (3) para chocar con la pared interior (4),
teniendo la pared interior una pluralidad de
orificios de efusión (5) a través de ésta, por lo que puede emitir
el aire de la cavidad (13) entre las paredes interior y exterior a
la cámara de combustión, habiendo un número mayor de orificios de
efusión que de orificios de choque;
caracterizada porque los orificios de
efusión (5) están dispuestos en grupos, comprendiendo cada grupo
una pluralidad de orificios de efusión (5a) separados de forma
sustancialmente igual entre sí alrededor de un orificio de efusión
central (5b), teniendo cada grupo de orificios de efusión (5) un
orificio de choque (3) situado en la pared exterior, de tal modo que
el aire puede pasar a través del orificio de choque para chocar con
la pared interior (4) en una posición predeterminada (14) respecto
al orificio de efusión central (5b) dentro de un límite definido
por el grupo de orificios de difusión.
2. Una cámara de combustión según la
reivindicación 1, en la que los orificios de efusión están
dispuestos en grupos de siete, comprendiendo seis orificios de
efusión separados de forma sustancialmente igual alrededor de un
séptimo orificio de efusión.
3. Una cámara de combustión según la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que la posición
predeterminada del orificio de efusión (3) respecto al orificio de
efusión central (5b) es tal que el aire puede pasar a través del
orificio de choque para chocar con la pared interna (4) más cerca
del orificio de efusión central que los otros orificios de efusión
(5a).
4. Una cámara de combustión según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que la posición
predeterminada del orificio de choque (3) respecto al orificio de
efusión central (5b) es tal que el aire puede pasar a través del
orificio de choque para chocar con la pared interna (4) alineado con
el orificio de efusión central a lo largo de la dirección del flujo
del gas de la combustión (D) en la cámara.
5. Una cámara de combustión según la
reivindicación 4, en la que la posición predeterminada del orificio
de efusión respecto al orificio de efusión central es tal que el
aire puede pasar a través del orificio de choque para chocar con la
pared interna posteriormente al orificio de efusión central.
6. Una cámara de combustión según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que las líneas centrales
respectivas del orificio de choque y el orificio de efusión central
están separadas por una distancia (d) al menos igual al diámetro
del orificio de choque.
7. Una cámara de combustión según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que los grupos de orificios
de efusión están dispuestos en filas que se extienden
circunferencialmente a la cámara.
8. Una cámara de combustión según la
reivindicación 7, en la que cada grupo está separado de un grupo
adyacente en la fila por una distancia sustancialmente igual a la
separación entre orificios adyacentes en un grupo.
9. Una cámara de combustión según la
reivindicación 7 o la reivindicación 8, en la que cada fila está
separada de las filas adyacentes por una distancia sustancialmente
igual a la distancia entre los orificios adyacentes en un grupo.
10. Una cámara de combustión según una cualquiera
de las reivindicaciones 7-9, en la que los grupos
en una cualquiera de las filas están desplazados
circunferencialmente de los de la fila adyacente, o de los de cada
fila adyacente, por una distancia sustancialmente igual a la mitad
de la separación entre los orificios centrales en los grupos
adyacentes en una fila.
11. Una cámara de combustión según la
reivindicación 10, en la que se proporcionan orificios de efusión
adicionales centralmente a cada conjunto de seis orificios
definidos entre dos grupos adyacentes en una fila y el grupo
adyacente desplazado en la fila siguiente.
12. Una cámara de combustión según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en la que los tamaños y números
relativos de los orificios de choque y los orificios de efusión son
tales que, durante el funcionamiento del motor, la diferencia de
presión a través de la pared exterior es al menos dos veces la
diferencia de presión a través de la pared interior.
13. Una cámara de combustión según la
reivindicación 12, en la que aproximadamente el 70% de la
disminución total de presión a través de las paredes exterior e
interior ocurre a través de la pared exterior y el resto a través
de la pared interior.
14. Un motor de turbina de gas que contiene al
menos una cámara de combustión de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones precedentes.
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|---|---|---|---|
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Publications (1)
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