ES2923886T3 - Motor de combustible líquido - Google Patents

Abstract

En una cámara de combustión (5) de un motor de propulsión líquida (1), un líquido combustible y una mezcla comburente son alimentados por medio de dos bombas de alimentación (12),(27) independientes y mecánicamente separadas diferentes y accionadas por respectivas turbinas (16).),(32) que también son independientes y mecánicamente separados entre sí; la mezcla comburente generada por un prequemador de líquido combustible (22) al pasar por una de las turbinas (32); y el líquido combustible calentado pasando por la otra turbina (16) antes de ser alimentado a la cámara de combustión (5); la mezcla comburente, después de haber pasado por la respectiva turbina (32), fluye hacia la cámara de combustión (5) a través de un plato de inyección (6). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Motor de combustible líquido

La presente invención se refiere a un motor de combustible líquido y, particularmente, a un motor de combustible líquido para uso aeroespacial.

Un motor de combustible líquido para uso aeroespacial debe satisfacer un requisito de robustez para su posible reutilización.

Como ya se sabe, un motor de combustible líquido está sometido a elevadas cargas termomecánicas que aumentan con el incremento del rendimiento del motor. Se puede obtener un alto rendimiento aumentando los parámetros de potencia del motor, como la presión en la cámara de combustión.

Sin embargo, en la práctica se observa que con el aumento de estos parámetros se produce una disminución progresiva de la fiabilidad funcional del motor.

El documento RU23528043 C1 describe un motor de combustible líquido que comprende un componente de combustión con una cámara de combustión y una tobera de expansión situada a continuación de la cámara de combustión, refrigerada por un flujo de combustible líquido. El motor también comprende una bomba de combustible y una bomba de oxidante conectadas angularmente entre sí por medio de un eje de torsión común para girar a la misma velocidad angular. Las dos bombas son, por lo tanto, accionadas por una turbina que acciona el eje común y, a su vez, accionadas por un prequemador que recibe un flujo de combustible y comburente a la entrada, y forma una mezcla comburente a la salida que, tras pasar por la turbina, se suministra a la cámara de combustión.

La turbina anteriormente descrita está asociada a una turbina suplementaria, que también está acoplada angularmente al eje común para girar al unísono con las dos bombas y la otra turbina. La turbina suplementaria tiene una entrada que conecta con la salida de un circuito de refrigeración de la cámara de combustión y, en este caso concreto, también calienta el líquido combustible; y una salida conectada a la cámara de combustión.

Los motores de combustible líquido del tipo anteriormente descrito presentan algunos aspectos problemáticos.

En primer lugar, dado que las dos bombas están conectadas entre sí por un eje giratorio, una posible fuga de combustible y comburente, arrastrado por las bombas, se mezclaría inevitablemente causando daños en el motor con consecuencias catastróficas.

Para evitar esa mezcla, en los motores conocidos suele haber dispositivos de sellado dinámico asociados al eje común. Estos sistemas de sellado son relativamente complejos y caros, y, en cualquier caso, no son completamente fiables.

Además, dado que las velocidades de rotación de la bomba de comburente y de la bomba de líquido combustible son iguales, es particularmente difícil determinar un valor de velocidad que corresponda a un alto grado de eficiencia global del motor. Sin embargo, en todos los casos, el valor determinado será siempre un valor de compromiso, para el cual al menos una de las bombas o turbinas funcionará en una condición distinta a la de máxima eficiencia, con un impacto inmediato en la eficiencia global del motor.

Además, los motores de combustible líquido conocidos del tipo anteriormente descrito tienen un límite teórico para el aumento del empuje del motor. Como ya se sabe, de hecho, el empuje aumenta linealmente con el aumento del caudal de combustible. Al aumentar el caudal y necesitar cumplir con un valor establecido de la presión de la cámara de combustión, es necesario aumentar la sección de la garganta de la cámara de combustión y, en consecuencia, el tamaño de la tobera de expansión. Los aumentos de sección antes mencionados suponen un aumento de las dimensiones radiales del motor. Aunque el aumento de las dimensiones radiales implica un aumento de la superficie de la pared lateral de la cámara de combustión y, en esencia, un aumento de la superficie útil de intercambio de calor, este aumento de la superficie sigue sin ser suficiente para lograr el equilibrio térmico en condiciones de un caudal elevado de combustible. En efecto, mientras que el empuje aumenta directamente en proporción al caudal, el aumento de la superficie de la pared lateral depende, sin embargo, de la raíz cuadrada del caudal. De ello se deduce que, para mantener una extracción de calor adecuada al caudal de combustible y, por lo tanto, al nivel de empuje, el aumento de la superficie de la pared lateral no es suficiente para eliminar el calor generado. Por esta razón, es necesario aumentar la longitud de la cámara de combustión, lo que inevitablemente conduce a un aumento del tamaño axial del motor y, proporcionalmente, de su peso.

El documento US 8.250.853 B1 muestra un motor en el que la cámara de combustión se suministra con oxígeno líquido directamente desde la salida de la bomba de comburente. Al mismo tiempo, este documento muestra un generador de gas, que tiene un gas de salida que, después de pasar por la turbina correspondiente, se descarga en la atmósfera o en una tobera separada de la cámara de combustión. El rendimiento de este motor se ve penalizado por el hecho de que una parte de los combustibles no se introduce en la cámara de combustión y se descarga sin producir el empuje del motor.

El documento US2008256925A1 corresponde al preámbulo de la reivindicación 1.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un motor de combustible líquido que permita resolver los problemas anteriores de forma sencilla y económica.

El objetivo anterior se logra mediante un motor de combustible líquido como se reivindica en la reivindicación 1.

Para una mejor comprensión de la presente invención, se describe ahora una realización preferida, a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en la que:

La figura 1 muestra, de forma esquemática y sustancialmente en forma de bloque, una realización preferida del motor de combustible líquido según la invención; y

La figura 2 es una figura similar a la figura 1 e ilustra una realización alternativa del motor de combustible líquido de la figura 1.

El número 1 de la figura 1 indica, en su conjunto, un motor de combustible líquido con una turbobomba de doble alimentación. En particular, el motor 1 comprende una cámara de combustión 2, conocida per se, un conjunto 3 para alimentar un líquido combustible y un conjunto 4 para alimentar y suministrar a la cámara de combustión 2 con una mezcla comburente con un alto contenido de oxidante.

La cámara de combustión 2 comprende una cámara de combustión 5, una placa de inyección 6, una tobera difusora 7 y un circuito de refrigeración regenerativo 8 para la cámara de combustión 5 y para la tobera difusora 7, todos ellos conocidos per se y no descritos en detalle.

El circuito de refrigeración 8 rodea la cámara de combustión 5 y la tobera 7, y transporta un fluido refrigerante, en este caso un líquido combustible, que entra por una entrada 10 del circuito de refrigeración 8 y sale por una boca de salida 11 del circuito 8 a una temperatura más elevada, habiendo extraído el calor de las paredes laterales de la cámara de combustión 2.

El conjunto 3 comprende una turbobomba 9, que a su vez comprende una bomba 12 que tiene un eje de transmisión 13, una entrada 14 conectada a un depósito conocido y que no se ilustra, y una boca de salida 15 conectada a la entrada 10 del circuito mediante un conducto 39.

El conjunto 3 comprende además una turbina de accionamiento 16 para la bomba 12. La turbina 16 está conectada angularmente al eje 13 de una manera conocida per se y tiene una boca de entrada 18 conectada a la boca 11 por medio de un tubo 20 y una boca de salida 19 conectada a la placa de inyección 6 por medio de un tubo 21. El líquido combustible se toma, por lo tanto, de la boca 11 siguiendo un camino cerrado, pasa por la turbina 16 y entra en la cámara de combustión 5 a través de la placa de inyección 6.

Siempre con referencia a la figura 1, el conjunto 4 comprende un quemador 22, conocido per se y no descrito en detalle, que comprende dos entradas, 23 y 24, y una salida 25. El conjunto 4 comprende además una turbobomba 26, que comprende a su vez una bomba 27 que tiene un eje de accionamiento 28, una boca de entrada de fluido comburente 29 y una boca de salida 30 conectada a la entrada 23 del quemador 22 a través de un conducto 31.

El conjunto 4 comprende también una turbina de accionamiento 32 para la bomba 27. La turbina 32 está integrada angularmente en el eje 28 de una manera conocida per se y tiene una boca de entrada 34 conectada a la salida 25 del quemador 22 por medio de un tubo 36 y una boca de salida 35 conectada a la placa de inyección 6 por medio de un tubo 37.

Siempre con referencia a la figura 1, la entrada 24 del quemador 22 está conectada a la boca de salida 15 de la bomba 12 por medio de un tubo 38.

En condiciones estables, la bomba 12 envía el líquido combustible a las entradas 10 y 24, mientras que la bomba 27 envía el líquido comburente a la entrada 23 del quemador 22.

El quemador 22 quema el fluido comburente y el líquido combustible, y genera una mezcla comburente que pasa por la turbina 32 antes de pasar a la cámara de combustión 2. Simultáneamente, el líquido combustible suministrado por la bomba 12 en la entrada 10 de la misma cámara de combustión 2 pasa por el circuito 8, se calienta y gasifica, y sale del circuito 8 por la salida 11 y pasa por la turbina 16 antes de entrar en la cámara de combustión 2 a través de la placa de inyección 6, y arde con la mezcla comburente dentro de la cámara 5.

La realización ilustrada en la figura 2 se refiere a un motor 50, que difiere del motor 1 en algunos detalles constructivos y cuyas partes constituyentes se indican, en la medida de lo posible, utilizando los mismos números de referencia que para las partes correspondientes del motor 1.

El motor 50 comprende dos cámaras de combustión 2, idénticas o diferentes entre sí desde el punto de vista constructivo y dimensional. Las cámaras de combustión 2 están conectadas a los conjuntos 3 y 4 en paralelo. En el ejemplo descrito, las placas de inyección 6 están conectadas de forma fluida a las tuberías 37 y 21 para alimentar las dos placas de inyección 6.

Siempre con referencia a la figura 2, el líquido combustible alimentado por la bomba 12 se reparte entre las entradas 10 de las cámaras de combustión, una de las cuales está conectada a la tubería 39 y cuyas salidas están conectadas a las entradas 10 a través de dos porciones de tubería indicadas por 43 y 44. Del mismo modo, las salidas 11 de las mismas cámaras de combustión 2 están conectadas a la tubería 20 a través de las tuberías 45 y 46.

De lo anterior se desprende, en primer lugar, que el uso de un par de turbobombas distintas e independientes, es decir, sin limitaciones mecánicas de rotación, permite aumentar considerablemente la seguridad y el rendimiento total del motor.

Por lo que respecta a la seguridad, los motores 1 y 50 que se describen permiten, incluso en presencia de fugas, mantener siempre separados el líquido combustible y la mezcla comburente mediante sistemas tradicionales de estanqueidad estática, en lugar de los complejos y costosos sistemas de estanqueidad dinámica necesarios en las soluciones ya conocidas.

En cuanto a la eficiencia del motor, es evidente, por otra parte, que la ausencia de limitaciones mecánicas entre las bombas y, por lo tanto, entre las dos turbobombas, permite controlar con precisión el flujo de combustible y el flujo de mezcla comburente. De hecho, no hay obstáculos para controlar las turbobombas de forma independiente, una respecto de la otra. Lo anterior se debe a que las bombas 12 y 27 están separadas mecánicamente entre sí y, por lo tanto, sus velocidades de rotación pueden ajustarse sin restricciones mediante el ajuste de las respectivas turbinas 16 y 32, también independientes entre sí, y, por lo tanto, pueden controlarse sin limitaciones mecánicas. En otras palabras, a diferencia de los motores que se conocen, los motores 1 y 50 que se describen comprenden dos turbobombas 9, 26 que, en la práctica, son dos unidades distintas, separadas e independientes entre sí de forma fluida.

Esto permite controlar las bombas 12 y 27 de manera que éstas y, en definitiva, las dos turbobombas trabajen en condiciones de máxima eficiencia.

Además, la mezcla comburente producida por el quemador 22 no sólo se utiliza para alimentar la turbina 32, sino también para alimentar posteriormente la cámara de combustión 5. En otras palabras, todo el flujo de mezcla comburente que sale de la turbina 32 se utiliza para la combustión en la cámara de combustión 5, junto con el combustible procedente de la tubería 21.

Por último, la utilización de dos cámaras de combustión 2 dispuestas en paralelo permite aumentar el empuje del motor mediante el aumento del caudal de combustible, limitando al mismo tiempo las dimensiones y, por lo tanto, el volumen del motor.

Claims (5)

REIVINDICACIONES

1. Un motor de combustible líquido (1; 50) que comprende: al menos una cámara de combustión (2) que comprende, a su vez, una cámara de combustión (5 ), una placa de inyección (6); un conjunto de alimentación de líquido combustible (3); y un conjunto de alimentación de mezcla comburente (4); dichos conjuntos de alimentación (3,4) comprenden, cada uno, una bomba respectiva (12, 27) y una turbina respectiva (16,32) para accionar dicha bomba correspondiente (12, 27); el motor (1;50) comprende además un circuito de calentamiento de líquido combustible; el circuito de calentamiento (8) que comprende una boca de salida (11) del líquido combustible calentado, conectada de forma fluida a una boca de entrada (18) de la turbina (16) del conjunto de alimentación de líquido combustible (3) mediante una primera tubería (20); la turbina (16) del conjunto de alimentación de líquido combustible (3) tiene una salida (19) conectada a dicha placa de inyección (6) mediante una segunda tubería (21) el conjunto de alimentación de mezcla comburente (4) que comprende un quemador (22) formador de mezcla comburente, estando una boca de salida (25) del quemador (22) conectada de forma fluida a una boca de entrada (34) de la turbina (32) del conjunto de alimentación de mezcla comburente (4); dichos conjuntos de alimentación de líquido combustible y de mezcla comburente están separados mecánicamente y son controlables de forma independiente el uno del otro; la turbina (32) del conjunto de alimentación de mezcla comburente que tiene una boca de salida (35) conectada a dicha placa de inyección (6) mediante un tercer tubo (37); caracterizado porque dichos conjuntos de alimentación comprenden un único quemador definido por dicho quemador de formación de mezcla comburente (22) y porque la boca de entrada (18) de la turbina (16) del conjunto de alimentación de líquido combustible (3) está conectada de forma fluida únicamente a dicha boca de salida (11).

2. El motor de combustible líquido según la reivindicación 1, caracterizado porque la bomba del conjunto de alimentación de la mezcla comburente (27) tiene una boca de salida (30) conectada únicamente a una entrada (23) de dicho quemador (22).

3. El motor de combustible líquido según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por comprender dos de dichas cámaras de combustión (2) mutuamente distintas e independientes la una de la otra, estando las cámaras de combustión (5) de dichas cámaras de combustión (2) conectadas de forma fluida en paralelo a las respectivas bocas de salida (19), (35) de dichas turbinas (16), (32).

4. El motor de combustible líquido según la reivindicación 3, caracterizado por comprender, para cada una de dichas cámaras de combustión (5), un respectivo circuito (8) de calentamiento de dicho líquido combustible, teniendo cada circuito de calentamiento (8) una respectiva boca de salida (11) separada e independiente de la boca de salida (11) del otro circuito de calentamiento (8), estando dichas bocas de salida (11) conectadas de forma fluida y paralela a una boca de entrada (18) de la turbina (16) de dicho conjunto de alimentación de líquido combustible (3).

5. El motor de combustible líquido según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos circuitos de calentamiento (8) comprenden una respectiva boca de entrada (10) para el líquido combustible a calentar, estando dichas bocas de entrada (10) conectadas de forma fluida en paralelo a una salida (15) de la bomba (12) del conjunto de alimentación de líquido combustible (3).