ES2316942T3 - Sistema de inyeccion de aire/combustible que tiene medios de generacion de plasmas frios. - Google Patents
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Abstract
Sistema de inyección (10; 50; 72) de una mezcla aire/combustible para una cámara de combustión (12) de turbomáquina, que incluye: una estructura tubular hueca (41, 51, 73) para el flujo de la mezcla aire/combustible hacia la cámara de combustión (12); unos medios de inyección de combustible (38; 68; 100) dispuestos en un extremo de aguas arriba de la estructura tubular hueca; y unos medios de inyección de aire (28, 30; 64, 66; 89, 96) dispuestos aguas abajo de los medios de inyección de combustible (38; 68; 100); caracterizado porque incluye además: unos medios de generación de plasmas fríos (42, 42'') dispuestos aguas abajo de los medios de inyección de aire (28, 30; 64, 66; 89, 96) con el fin de generar especies activas en el flujo de la mezcla aire/combustible y de realizar una rotura previa de las moléculas de la mezcla aire/combustible; y unos medios de control (48) de dichos medios de generación de plasmas fríos (42, 42'') en función del régimen de funcionamiento de la turbomáquina.
Description
Sistema de inyección de aire/combustible que
tiene medios de generación de plasmas fríos.
La presente invención se refiere al campo
general de los sistemas de inyección de una mezcla aire/combustible
para una cámara de combustión de turbomáquina. Contempla más
concretamente un sistema de inyección provisto de un generador de
plasmas fríos capaz de controlar la reactividad de la mezcla
aire/combustible durante su inyección en la cámara de
combustión.
El proceso clásico de elaboración y de
optimización de una cámara de combustión de una turbomáquina tiene
por objetivo principal conciliar la aplicación de las
características de funcionamiento de la cámara (rendimiento de
combustión, campo de estabilidad, campo de encendido y de
reencendido, duración de vida del hogar de combustión, etc.) en
función de la misión considerada para el avión en el cual se monta
la turbomáquina minimizando al mismo tiempo las emisiones
contaminantes (óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono,
hidrocarburos no quemados, etc.). Para ello, es posible jugar, en
particular, sobre la naturaleza y los resultados del sistema de
inyección de la mezcla aire/combustible en la cámara de combustión,
la distribución del aire de dilución en la cámara y la dinámica de
la mezcla aire/combustible en la cámara.
La cámara de combustión de una turbomáquina se
compone típicamente de varios sistemas: un sistema de inyección de
una mezcla aire/combustible en un tubo de llama, un sistema de
enfriamiento y un sistema de dilución. La combustión se organiza
principalmente en el seno de una primera parte del tubo de llama
(zona primaria) en la que se estabiliza por medio de zonas de
recirculación de la mezcla aire/combustible inducidas por el flujo
de aire del sistema de inyección. En esta zona primaria del tubo de
mezcla, se aplican diferentes fenómenos físicos: inyección y
atomización en finas gotitas del combustible, evaporación de las
gotitas, mezcla de los vapores de combustible con el aire y
reacciones químicas de oxidación del combustible por el oxígeno del
aire. En la segunda parte del tubo de mezcla (zona de dilución), la
actividad química aplicada es más escasa y el flujo se diluye por
medio de orificios de dilución.
Con el fin de reducir las emisiones
contaminantes, en particular las de óxidos de nitrógeno (de tipo
NO_{x}), es conocido tratar de eliminar las zonas del tubo de
llama en las que la temperatura es superior a 1800ºK
aproximadamente. Para ello, es necesario que la llama de combustión
esté en presencia de una mezcla aire/combustible rica o pobre. Por
ejemplo, se puede obtener el empobrecimiento de la mezcla
aire/combustible de la zona del tubo de llama en la que se
desarrollan las reacciones químicas aumentando el caudal de aire
destinado a la combustión. En ese caso, se contribuye así a
evaporar y mezclar cada vez más combustible con el aire antes de
alimentar la llama situada en la zona de combustión. La llama de
combustión ve por tanto disminuir su riqueza.
Sin embargo, el aumento de la producción de aire
no basta para suprimir completamente las zonas de mezclas
estequiométricas en el interior del hogar de combustión.
Generalmente, el empobrecimiento de combustión incluye un aumento
de la vulnerabilidad del hogar de combustión a la extinción de modo
que ya no se pueden obtener las fases de ralentí del motor.
Para solucionar este problema, los motoristas
han desarrollado el concepto llamado de "combustión escalonada"
que puede presentarse en dos formas: las cámaras de combustión de
doble cabeza escalonada y los sistemas de inyección llamados
"multipunto".
Las cámaras de combustión de doble cabeza
escalonada son cámaras cuyos inyectores de combustible se
distribuyen en una cabeza llamada "piloto" y en una cabeza
llamada "despegue". La cabeza piloto funciona permanentemente
y permite así evitar que el hogar de combustión se apague, mientras
que la cabeza despegue está diseñada para reducir las emisiones de
tipo NO_{x}. Aunque esta solución parezca satisfactoria, una
cámara de doble cabeza escalonada sigue siendo difícil de controlar
y costosa, teniendo en cuenta la duplicación del número de
inyectores de combustible con respecto a una cámara de combustión
clásica de simple cabeza.
Los sistemas de inyección de la mezcla
aire/combustible llamados "multipunto", son sistemas en los
cuales la inyección de aire y de combustible se efectúa por varios
conductos independientes y se controla en función del régimen de
funcionamiento de la turbomáquina. El inconveniente principal de
tales sistemas de inyección multipunto reside en la complejidad de
los diferentes circuitos de combustible y del sistema de
regulación.
Se conoce también la patente US 6.453.660 que
propone un sistema de inyección multipunto provisto de un generador
de plasmas calientes. En este documento, se prevé equipar el extremo
del inyector principal de combustible con un dispositivo generador
de plasmas calientes. Se produce una descarga energética en el flujo
de combustible que permite así ionizar y disociar parcialmente las
moléculas de combustible. No obstante, un sistema de inyección de
este tipo no es completamente satisfactorio. Por una parte, la
arquitectura de multipuntos sigue siendo compleja y difícil de
controlar. Por otra parte, la descarga energética no se efectúa más
que en el flujo principal de combustible, lo que limita la eficacia
de tal sistema de inyección contra los riesgos de extinción del
hogar de combustión.
La presente invención tiene pues por objetivo
principal atenuar tales inconvenientes proponiendo un sistema de
inyección de una mezcla aire/combustible para una cámara, de
combustión que permite de aumentar la resistencia a la extinción
del hogar de combustión conservando al mismo tiempo una arquitectura
simple y limitando las emisiones contaminantes.
A tal efecto, se prevé un sistema de inyección
de una mezcla aire/combustible para una cámara de combustión de
turbomáquina, que incluye una estructura tubular hueca para el flujo
de la mezcla aire/combustible hacia la cámara de combustión, unos
medios de inyección de combustible dispuestos en un extremo aguas
arriba de la estructura tubular hueca, y unos medios de inyección
de aire dispuestos aguas abajo de los medios de inyección de
combustible, caracterizado porque incluye además unos medios de
generación de plasmas fríos dispuestos aguas abajo de los medios de
inyección de aire con el fin de generar especies activas en el flujo
de la mezcla aire/combustible y de realizar una rotura previa de
las moléculas de la mezcla aire/combustible, y unos medios de
control de los medios de generación de plasmas fríos en función del
régimen de funcionamiento de la turbomáquina.
El generador de plasmas fríos permite adaptar
los tiempos característicos de las reacciones químicas en función
del régimen de funcionamiento de la turbomáquina. El control de los
tiempos característicos de las reacciones químicas está garantizado
por la producción y la inyección de especies activas (especies
homolíticas y especies excitadas) en el flujo de la mezcla
aire/combustible y por rotura previa de las moléculas de aire y de
combustible.
De este modo, es posible aumentar la resistencia
del hogar de combustión a la extinción y en consecuencia garantizar
una estabilidad de combustión, en particular, a bajos regímenes de
funcionamiento de la turbomáquina, permitiendo al mismo tiempo
limitar las emisiones contaminantes.
Los medios de generación de plasmas fríos pueden
adaptarse igual de bien a los sistemas de inyección de tipo
aeromecánico que a los sistemas de inyección de tipo
aerodinámico.
Los medios de generación de plasmas fríos pueden
incluir al menos un par de electrodos conectados a un generador de
corriente alterna que está pilotado por los medios de control.
Alternativamente, y según sus implantaciones,
estos medios de generación de plasmas fríos pueden incluir una
bobina solenoide conectada a un generador de corriente alterna que
es pilotado también por los medios de control.
Así, la presente invención permite adaptarse
fácilmente a los sistemas conocidos de inyección de una mezcla
aire/combustible sin incluir transformaciones importantes de estos
sistemas de inyección.
Los medios de generación de plasmas fríos pueden
asociarse a uno solo o a todos los sistemas de inyección de una
misma cámara de combustión, lo que permite mejorar el funcionamiento
de las cámaras de combustión existentes.
El sistema de inyección según la presente
invención puede también funcionar para unos puntos de funcionamiento
de la turbomáquina en los que la combustión es estabilizada de modo
que se aumenta el rendimiento de la combustión para esos puntos.
Por ejemplo, si se considera un punto de encendido en altitud en
autorrotación, el volumen del hogar debe ser suficiente para
garantizar un rendimiento de combustión que permita acelerar a la
turbomáquina. En esas condiciones, la presente invención permite
reducir el volumen de los hogares de combustión y en consecuencia
disminuir la masa de la turbomáquina.
Además, rechazando los límites de extinción de
la cámara de combustión, permite suprimir el circuito de combustible
de la cabeza piloto para las cámaras de doble cabeza escalonada y
también para las cámaras con sistemas de inyección multipunto.
Finalmente, la presente invención permite
simplificar los sistemas de encendido de la cámara de combustión
integrando esta función en el sistema de inyección. El encendido se
realiza en efecto por los medios de generación de plasmas fríos
alimentados con una energía y una frecuencia adaptadas. Es así
posible suprimir los dispositivos clásicos de encendido por bujías
y evitar los problemas que se les asocian (enfriamiento del cuerpo y
del morro de la bujía, perturbación del enfriamiento del hogar,
duración de vida de la bujía, etc.).
Otras características y ventajas de la presente
invención resultarán de la descripción que se hace a continuación,
en referencia a los dibujos anexos que ilustran un ejemplo de
realización desprovisto de todo carácter limitativo. En las
figuras:
- la figura 1 es una vista en corte
longitudinal de un sistema de inyección según un modo de realización
de la invención;
- las figuras 2A y 2B ilustran dos variantes de
implantación de los medios de generación de plasmas fríos del
sistema de inyección según la invención;
- la figura 3 es una vista en corte
longitudinal de un sistema de inyección según otro modo de
realización la invención; y
- la figura 4 es una vista en corte
longitudinal del sistema de inyección según otro modo de realización
más de la invención.
La figura 1 representa, en corte longitudinal,
un sistema de inyección según un modo de realización de la
invención. En este modo de realización, el sistema de inyección es
de tipo aeromecánico.
El sistema de inyección 10 de eje longitudinal
X-X se compone esencialmente de una estructura
tubular para el flujo de una mezcla aire/combustible hacia el hogar
de una cámara de combustión 12 de una turbomáquina. Esta mezcla
aire/combustible está destinada a ser quemada en la cámara de
combustión 12.
La cámara de combustión 12 es, por ejemplo, de
tipo anular. Está delimitada por dos paredes anulares (no
representadas en la figura 1) espaciadas radialmente con respecto
al eje de la turbomáquina y conectadas hacia atrás por un fondo de
cámara 14. El fondo de cámara 14 presenta una pluralidad de
aberturas 16 regularmente espaciadas circularmente en torno al eje
de turbomáquina. En cada una de estas aberturas 16 se monta un
sistema de inyección 10 según la invención. Los gases resultantes
de la combustión de la mezcla aire/combustible fluyen aguas abajo
en la cámara de combustión 12 para alimentar una turbina de alta
presión (no representada) dispuesta a la salida de la cámara de
combustión.
Se monta un deflector anular 18 en la abertura
16 por medio de un manguito 20. Este deflector se monta
paralelamente al fondo de la cámara 14 y juega un papel de pantalla
térmica contra la radiación de la llama de combustión.
Se monta una cubeta 22 en el interior del
manguito 20. Esta cubeta 22 presenta una pared 22a inclinada hacia
aguas abajo en la prolongación de una pared sensiblemente cilíndrica
22b dispuesta coaxialmente con el eje longitudinal
X-X del sistema de inyección 10. Por medio de su
ángulo de abertura, la cubeta 22 permite distribuir la mezcla
aire/combustible en la zona primaria del hogar de combustión. Por
otra parte, la pared inclinada 22a de la cubeta incluye una
pluralidad de orificios 24 de introducción de aire en el hogar de
combustión. Estos orificios 24 permiten volver a centrar el flujo
de la mezcla aire/combustible en torno al eje longitudinal
X-X a la salida de la cubeta.
La cubeta 22 presenta un collar anular 25 que se
extiende paralelamente al fondo de cámara 14. Como para el
deflector 18, este collar 25 forma una pantalla térmica entre la
radiación de la llama de combustión y la cubeta 22. El collar es
enfriado por impacto del aire que pasa por unos orificios 25a que
atraviesan la pared inclinada 22a de la cubeta.
La pared cilíndrica 22b de la cubeta 22 rodea un
venturi 26 que tiene un contorno interno de forma convergente
divergente. El venturi 26 permite delimitar los flujos de aire
resultantes de una hélice interna 28 y de una hélice externa 30. En
su extremo de aguas arriba, el venturi 26 incluye una brida radial
26a que separa la hélice interna 28 y la hélice externa 30.
La hélice interna 28 es de tipo radial. Está
dispuesta aguas arriba del venturi 26 y proporciona un flujo de
aire radial interno en el interior del venturi. La hélice externa 30
es también de tipo radial. Está dispuesta aguas arriba de la pared
cilíndrica 22b de la cubeta 22 y proporciona un flujo de aire radial
externo entre el venturi 26 y la pared cilíndrica 22b de la cubeta
22. Las hélices interna 28 y externa 30 ponen en rotación el flujo
de la mezcla aire/combustible y aumentan así la turbulencia y el
cizallamiento a fin favorecer la atomización del combustible y su
mezcla con el aire.
Aguas arriba, la hélice interna 28 es solidaria
con una pieza de retención 32 que presenta una ranura anular 34
abierta del lado del eje longitudinal X-X del
sistema de inyección. Un anillo de apoyo 36 está montado en el
surco anular 34. Este anillo de apoyo 36 permite la fijación del
extremo de aguas abajo de un inyector de combustible 38 centrado en
el eje longitudinal X-X del sistema de inyección. El
anillo de apoyo 36 puede desplazarse radialmente en la ranura
anular 34 con el fin de permitir una recuperación del juego que
pueden generar las tensiones térmicas a las cuales se someten los
diferentes elementos del sistema de inyección 10.
En su parte en contacto con el inyector de
carburante 38, el anillo de apoyo 36 está taladrado por una
pluralidad de orificios 40 regularmente espaciados de manera
circular en torno al eje longitudinal X-X del
sistema de inyección. Estos orificios 40 desempeñan el papel de
purga ventilando el pulverizador de combustible 38 y evitando la
formación de coque en el extremo de aguas abajo de éste.
El anillo de apoyo 36, las hélices interna 28 y
externa 30, el venturi 26 y la cubeta 22 forman así la estructura
tubular hueca 41 del sistema de inyección 10 por la cual fluye la
mezcla aire/combustible.
El inyector de combustible 38 es solidario aguas
arriba con un brazo de inyector (no representado). Después de su
flujo por el brazo de inyector, el combustible es pulverizado por el
inyector 38 en forma de un cono de combustible que golpea en parte
al venturi 26. Una vez pulverizado, el combustible se mezcla con el
aire de las hélices interna 28 y externa 30 y de los orificios 24
de la cubeta 22.
A la salida de la cubeta 22, el combustible es
pulverizado en forma de finas gotitas por el efecto del
cizallamiento aerodinámico procedente de las diferencias entre las
velocidades del flujo líquido y del flujo gaseoso. La mezcla
aire/combustible así formada es entonces introducida en la cámara de
combustión 12 para ser quemada en la
misma.
misma.
Según la invención, el sistema de inyección 10
incluye además unos medios de generación de plasmas fríos, con el
fin de generar especies activas en el flujo de la mezcla
aire/combustible y realizar uno rotura previa de las moléculas de
la mezcla aire/combustible. Están previstos igualmente unos medios
de control con el fin de controlar estos medios de generación de
plasmas fríos en función del régimen de funcionamiento de la
turbomáquina.
En el modo de realización del sistema de
inyección ilustrado en la figura 1, estos medios de generación de
plasmas fríos pueden ser dispuesto, sea en torno al extremo de aguas
abajo del venturi 26 (implantación A), sea aproximadamente en el
extremo de aguas arriba de la cubeta 22 (implantación B), o sea en
torno al extremo de aguas abajo del venturi 26 y en torno al
extremo de aguas arriba de la cubeta 22 (implantación C).
La figura 2A ilustra la implantación A de los
medios de generación de plasmas fríos en torno al extremo de aguas
abajo del venturi 26. Esta figura representa esquemáticamente, vista
de frente, el extremo de aguas abajo circular del venturi.
En esta configuración, los medios de generación
de plasmas fríos se realizan por al menos un par de electrodos 42
dispuestos en la circunferencia del extremo de aguas abajo del
venturi 26. Estos electrodos 42 están conectados por medio de hilos
eléctricos 44 a un generador de corriente alterna 46. El generador
de corriente se controla por un sistema de control 48 descrito
posteriormente.
En la figura 2A, los electrodos 42 están
dispuestos en un mismo diámetro del venturi 26, es decir que están
alineados radialmente el uno con respecto al otro. No obstante, como
se ilustra en trazos discontinuos por el par de electrodos 42',
éstos últimos pueden desplazarse radialmente el uno con respecto al
otro siendo dispuestos en unos radios diferentes del venturi 26.
Según la naturaleza y la necesidad de la
aplicación, el número de pares de electrodos pueden ser mayor. Estos
electrodos se distribuyen entonces angularmente sobre la
circunferencia del venturi, por ejemplo de manera uniforme. Por
otra parte, en el caso de varios pares de electrodos, estos pares
pueden ser alimentados por el generador de corriente alterna 46
simultánea o secuencialmente.
Alternativamente, en el caso de una implantación
en el extremo de aguas abajo del venturi, los medios de generación
de plasmas fríos pueden también realizarse en forma de una bobina
solenoide conectada al generador de corriente alterna. En esta
variante no ilustrada, la superficie externa del venturi presenta
una bobina solenoide.
La implantación de los medios de generación de
plasmas fríos en torno al extremo de aguas arriba de la cubeta 22
(implantación B) corresponde a la implantación A descrita arriba y
por tanto no se tratará.
La figura 26 ilustra la implantación C de los
medios de generación de plasmas fríos en torno al extremo de aguas
abajo del venturi 26 y en torno al extremo de aguas arriba de la
cubeta 22. En esta figura, el venturi 26 y la cubeta 22 presentan
cada uno una sección recta sensiblemente circular y están dispuestos
concéntricamente el uno con respecto al otro.
En esta configuración, los medios de generación
de plasmas fríos se realizan por al menos un par de electrodos 42
uno de cuyos electrodos está dispuesto en la circunferencia del
extremo de aguas abajo del venturi 26 y el otro electrodo está
dispuesto sobre la circunferencia del extremo de aguas arriba de la
cubeta 22. Estos electrodos 42 están conectados igualmente por
medio de hilos eléctricos 44 a un generador de corriente alterna 46
mandado por un sistema de control 48.
En la figura 2B, los electrodos 42 están
dispuestos sobre un mismo radio de la corona definida por el extremo
de aguas abajo del venturi 26 y el extremo de aguas arriba de la
cubeta 22, es decir que están alineados radialmente el uno con
respecto al otro. No obstante, como se ilustra en trazo discontinuo
por el par de electrodos 42', éstos últimos pueden desplazarse
radialmente el uno con respecto al otro, estando dispuestos en
radios diferentes de la corona.
Al igual que para la configuración precedente,
el número de pares de electrodos pueden ser mayor según la
naturaleza y la necesidad de la aplicación. En este caso, la
disposición de estos pares de electrodos puede variar en la
circunferencia del venturi y de la cubeta. Los pares de electrodos
pueden también ser alimentados simultánea o secuencialmente.
En las dos configuraciones descritas arriba en
referencia a las figuras 2A y 2B, los pares de electrodos (o la
bobina solenoide) permiten crear, por medio del generador de
corriente alterna 46 conectado al sistema de control 48, una
descarga eléctrica en la mezcla aire/combustible que fluye entre los
electrodos (o en el interior de la bobina sole-
noide).
noide).
Cuando la mezcla aire/combustible pasa a través
de esta descarga eléctrica, las moléculas de aire y de combustible
resultan ser ionizadas y parcialmente disociadas. Las moléculas de
combustible se disocian parcialmente en especies de radicales del
tipo C_{x}H_{y} (C_{2}H_{2}, CH_{4}, etc.). Del mismo
modo, al encontrarse el oxígeno del aire disociado e ionizado
(O^{+}, etc.), esta rotura previa de las moléculas de combustible
y de aire permite entonces facilitar la rotura posterior de estas
moléculas durante la combustión.
Los parámetros del generador de corriente
alterna 46 (duración de los impulsos eléctricos, tensión, tasa de
repetición, etc.) son mandados por el sistema de control 48 en
función del régimen de funcionamiento de la turbomáquina, con
relación a las especies activas (especies de radicales, especies
excitadas) que se desea producir, con respecto al grado rotura
previa deseado de las moléculas de aire y de combustible y con
respecto a la función contemplada (encendido, reencendido en
altitud, extensión del campo de estabilidad, control activo del
hogar de combustión,
etc.).
etc.).
No obstante, el generador de corriente alterna
46 presente la particularidad de permitir la generación de plasmas
llamados "fríos". Con relación a las plasmas llamados
"calientes", las plasmas fríos se caracterizan por una
descarga eléctrica de tipo "corriente", es decir por una
propagación de un frente de ionización. Las plasmas fríos se
caracterizan también por un desequilibrio termodinámico en el que la
temperatura de los electrones emitidos en la descarga eléctrica es
muy elevada con respecto a la de la mezcla aire/combustible que
atraviesa la descarga eléctrica. Esta particularidad tiene como
ventaja principal permitir la producción de especies de radicales
activas en el flujo de la mezcla aire/combustible con un menor gasto
energético que con plasmas calientes.
Un generador de corriente alterna 46 de este
tipo que permite generar plasmas fríos se traduce en particular por
una duración de los impulsos eléctricos comprendida entre 2 y 50
nanosegundos, y preferiblemente entre 2 y 30 nanosegundos. En
comparación, un generador de corriente eléctrica para la producción
de plasmas calientes proporciona impulsos eléctricos que tienen
típicamente una duración del orden del centenar de
microsegundos.
Por otra parte, en el caso en que sea necesaria
una función de control activo del hogar de combustión, el sistema
de control 48 puede utilizar informaciones recogidas en tiempo real
dentro del hogar de combustión.
Por ejemplo, se puede prever conectar al sistema
de control 48 un detector de inestabilidad colocado en la cámara de
combustión. Un detector de inestabilidad de este tipo mide la
presión (o cualquier otro parámetro) en el interior de la cámara de
combustión y lo transmite en tiempo real al sistema de control.
Según otro ejemplo, también es posible conectar al sistema de
control un detector óptico de la llama de combustión. Un detector
óptico de este tipo permite así informar en tiempo real al sistema
de control en caso de extinción de la llama de combustión.
Se describirá ahora un sistema de inyección
según otro modo de realización de la invención haciendo referencia
a la figura 3. En este modo de realización, el sistema de inyección
es también de tipo aeromecánico de modo que sólo se enumerarán las
diferencias que existen con el sistema de inyección ilustrado en la
figura 1. En particular, con relación al sistema de inyección de la
figura l, este sistema de inyección es del tipo LLP (que
corresponde a "Lean Premixed Prevaporized" (Prevaporizado con
Premezcla Pobre)).
Como para el modo de realización descrito
anteriormente, el sistema de inyección 50 de eje longitudinal
Y-Y se compone esencialmente de una estructura
tubular hueca 51 para el flujo de una mezcla aire/combustible hacia
el hogar de la cámara de combustión 12 de una turbomáquina.
Se monta un deflector anular 52 en la abertura
16 practicada en el fondo de cámara 14 por medio de un manguito 54.
Se monta una cubeta 56 que forma un tubo de vaporización y de
premezcla dentro del manguito 54. Esta cubeta 56 presenta una pared
de aguas abajo 56a divergente que se forma en la prolongación de la
pared intermedia 56b convergente, formada a su vez en la
prolongación de una pared de aguas arriba 56c sensiblemente
cilíndrica dispuesta coaxialmente con el eje longitudinal
Y-Y del sistema de inyección.
Además de las funciones descritas en el modo de
realización anterior, esta cubeta 56 permite de alimentar el hogar
de combustión con una mezcla aire/combustible homogénea pobre a fin
de evitar el establecimiento en el hogar de condiciones de
combustión estequiométricas generadoras de emisiones de tipo
NOx.
La cubeta 56 rodea un primer venturi 58. Este
primer venturi 58 tiene como función guiar aire que atraviesa unos
orificios 60 formados a través de la pared cilíndrica 56c de la
cubeta 56, el nivel de su extremo de aguas arriba. Este aire está
destinado a enfriar la cubeta 56 circulando a lo largo de la cara
interna de ésta.
El primer venturi 58 rodea un segundo venturi 62
que tiene un contorno interno de forma convergente divergente. El
segundo venturi 62 delimita los flujos de aire resultantes de una
hélice interna radial 64 y de una hélice externa radial 66. La
hélice interna 64 proporciona un flujo de aire radial al interior
del segundo venturi 62 y la hélice externa 66 proporciona un flujo
de aire radial entre el primer venturi 58 y el segundo venturi
62.
Un inyector de combustible 68 centrado en el eje
longitudinal Y-Y del sistema de inyección está
dispuesto aguas arriba de la hélice interna 64. Este inyector de
combustible se fija en el sistema de inyección por medio de un
anillo de apoyo 70.
El anillo de apoyo 70, las hélices interna 64 y
externo 66, los venturis 58, 62 y la cubeta 56 forman así la
estructura tubular hueca 51 del sistema de inyección 50 en el que
fluye la mezcla aire/combustible.
En este modo de realización, los medios de
generación de plasmas fríos que permiten generar especies activas
en el flujo de la mezcla aire/combustible y realizar una rotura
previa de las moléculas de mezcla aire/combustible están dispuestos
en torno al extremo de aguas debajo de la cubeta 56 (implantación D
en la figura 3).
La implantación D de los medios de generación de
plasmas fríos en torno al extremo de aguas debajo de la cubeta 56
corresponde a la implantación ilustrada en la figura 2A. Como se ha
descrito anteriormente, los medios de generación de plasmas fríos
pueden así realizarse en forma de al menos un par de electrodos
dispuestos en la circunferencia del extremo de aguas debajo de la
cubeta o en forma de una bobina solenoide.
Por supuesto, las variantes de configuración
descritas haciendo referencia a la figura 2A son también aplicables
a este modo de realización y los electrodos (o la bobina solenoide)
se conectan al generador de corriente alterna mandado por el
sistema de control.
En este modo de realización, la implantación D
de los medios de generación de plasmas fríos permite, por una parte
aumentar el campo de estabilidad del hogar de combustión rechazando
los límites de extinción en medio pobre de mezcla aire/combustible,
y por otra parte, controlar el hogar de combustión para disminuir su
vulnerabilidad a las inestabilidades de combustión.
En ese caso de control del hogar de combustión,
conviene, como se menciona anteriormente, establecer un detector de
inestabilidad o un detector óptico de llama de combustión conectado
al sistema de control activo del generador de corriente
alterna.
A continuación se describirá un sistema de
inyección según otro modo adicional de realización de la invención
haciendo referencia a la figura 4. En este modo de realización, el
sistema de inyección es del tipo aerodinámico.
Como para los modos de realización anteriores,
el sistema de inyección 72 de eje longitudinal Z-Z
se compone esencialmente de una estructura tubular hueca 73 para el
flujo de una mezcla aire/combustible hacia el hogar de la cámara de
combustión 12 de una turbomáquina.
Se monta un deflector 74 en la abertura 16
practicada en el fondo de la cámara 14 por medio de un manguito 76.
Se monta una cubeta 78 en el interior del manguito 76. Esta cubeta
presenta una pared divergente hacia aguas abajo.
En su extremo de aguas arriba, la cubeta 78 se
prolonga por un anillo cilíndrico de sostén 80 que rodea y sostiene
un inyector de combustible 82 centrado en el eje longitudinal
Z-Z del sistema de inyección.
El inyector de combustible 82 incluye una
primera parte tubular 84 dispuesta coaxialmente con el eje
longitudinal Z-Z del sistema de inyección 72. Esta
primera parte tubular 84 define un primer volumen interno axial 86
que se abra en su extremo de aguas abajo para la mezcla
aire/combustible.
La superficie externa de la primera parte
tubular 84 y la superficie interna del anillo cilíndrico de sostén
80 definen entre ellas un primer paso anular 88. Unos orificios de
alimentación de aire 89 practicados a través del anillo de sostén
80 se abren al exterior del inyector 82 y desembocan en este primer
conducto anular 88. Estos orificios 89 permiten inyectar aire en el
extremo de aguas abajo de la primera parte tubular 84 según una
dirección sensiblemente axial.
La superficie interna de la primera parte
tubular 84 del pulverizador de combustible 82 rodea una segunda
parte tubular 90 que está también dispuesta coaxialmente con el eje
longitudinal Z-Z del sistema de inyección. La
primera parte tubular 84 y la segunda parte tubular 90 definen entre
ellas un segundo conducto anular 92. Esta segunda parte tubular 90
define además un segundo volumen interno axial 94 que se abre en el
volumen interno axial 86 de la primera parte tubular 84.
El inyector de combustible 82 incluye también
una pluralidad de canales de alimentación de aire 96 que se abren
al exterior del inyector y desembocan en el segundo volumen interno
axial 94, en un extremo de aguas arriba de la segunda parte tubular
90. Estos canales de alimentación de aire 96 permitiendo así
inyectar aire en un extremo de aguas arriba de la segunda parte
tubular 90 según una dirección sensiblemente axial.
En su extremo de aguas arriba, el inyector de
combustible 82 incluye al menos una entrada de combustible 98 que
se presenta en forma de un hueco cilíndrico. Este hueco cilíndrico
se alimenta de combustible por un brazo de inyector (no
representado).
Se abren unos canales de alimentación de
combustible 100 en este hueco cilíndrico 98 y desembocan en el
segundo conducto anular 92. Estos canales de alimentación de
combustible permiten por tanto inyectar combustible entre la
primera parte tubular 84 y la segunda parte tubular 90.
El inyector de combustible 82, el anillo de
sostén 80 y la cubeta 78 forman así la estructura tubular hueca 73
del sistema de inyección 72.
En este sistema de inyección, el combustible
inyectado se atomiza por el efecto de cizallamiento del aire. En
efecto, se forma una película de combustible en el segundo conducto
anular 92. A su salida de la segunda parte tubular 90, esta
película de combustible es sometida a la acción del aire de los
canales de alimentación de aire 96 antes de ser sometida, a la
salida de la primera parte tubular 84, a la acción del aire que sale
del primer conducto anular 88.
En este modo de realización, los medios de
generación de plasmas fríos pueden establecerse en tres zonas
diferentes: en torno al extremo de aguas abajo de la segunda parte
tubular 90 (implantación E), en torno al extremo de aguas abajo de
la primera parte tubular 84 (implantación F) o incluso en torno al
extremo de aguas abajo del anillo cilíndrico de sostén 80 y en
torno al extremo de aguas abajo de la primera parte tubular 84
(implantación G).
La implantación E en torno al extremo de aguas
abajo de la segunda parte tubular 90 y la implantación F en torno
al extremo de aguas abajo de la primera parte tubular 84
corresponden ambas a la implantación ilustrada en la figura 2A y
por consiguiente no serán detalladas. En estos dos casos, los medios
de generación de plasmas fríos pueden realizarse en forma de al
menos un par de electrodos o bien en forma de una bobina
solenoide.
La implantación G en torno al extremo de aguas
abajo del anillo cilíndrico de sostén 80 y en torno al extremo de
aguas abajo de la primera parte tubular 84 corresponde a la
implantación ilustrada en la figura 2B y por tanto no será
detallada tampoco. En ese caso, los medios de generación de plasmas
fríos pueden realizarse en forma de al menos un par de
electrodos.
Por supuesto, las diferentes variantes descritas
en referencia a las figuras 2A y 2B se aplican igualmente a las
implantaciones E, F y G de este modo de realización y los electrodos
(o la bobina solenoide) se conectan al generador de corriente
alterna mandado por el sistema de control.
Claims (16)
1. Sistema de inyección (10; 50; 72) de una
mezcla aire/combustible para una cámara de combustión (12) de
turbomáquina, que incluye:
- una estructura tubular hueca (41, 51, 73) para el flujo de la mezcla aire/combustible hacia la cámara de combustión (12);
- unos medios de inyección de combustible (38; 68; 100) dispuestos en un extremo de aguas arriba de la estructura tubular hueca; y
- unos medios de inyección de aire (28, 30; 64, 66; 89, 96) dispuestos aguas abajo de los medios de inyección de combustible (38; 68; 100);
caracterizado porque incluye además:
- unos medios de generación de plasmas fríos (42, 42') dispuestos aguas abajo de los medios de inyección de aire (28, 30; 64, 66; 89, 96) con el fin de generar especies activas en el flujo de la mezcla aire/combustible y de realizar una rotura previa de las moléculas de la mezcla aire/combustible; y
- unos medios de control (48) de dichos medios de generación de plasmas fríos (42, 42') en función del régimen de funcionamiento de la turbomáquina.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema (10) según la reivindicación 1,
caracterizado porque incluye un inyector de combustible (38)
dispuesto en un extremo de aguas arriba de la estructura tubular
hueca (41) y que permite inyectar combustible en la estructura
tubular hueca (41) según una dirección sensiblemente axial, una
hélice de aire interna (28) dispuesta aguas abajo del inyector de
combustible (38) y que permite inyectar el aire en dicha estructura
tubular hueca (41) según una dirección sensible miente radial, una
hélice de aire externa (30) dispuesta aguas abajo de la hélice de
aire interna (28) y que permite inyectar el aire en dicha estructura
tubular hueca (41) según una dirección sensiblemente radial, un
venturi (26) interpuesto entre las hélices de aire interna (28) y
externa (30), y una cubeta (22) dispuesta aguas abajo de la hélice
de aire externa (30).
3. Sistema (10) según la reivindicación 2,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
abajo del venturi (26).
4. Sistema (10) según la reivindicación 2,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
arriba de la cubeta (22).
5. Sistema (10) según la reivindicación 2,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
abajo del venturi (26) y alrededor de un extremo de aguas arriba de
la cubeta (22).
6. Sistema (50) según la reivindicación 1,
caracterizado porque incluye un inyector de combustible (68)
dispuesto en un extremo de aguas arriba de la estructura tubular
hueca (51) y que permite inyectar combustible en la estructura
tubular hueca (51) según una dirección sensiblemente axial, una
hélice de aire interna (64) dispuesta aguas abajo del inyector de
combustible (68) y que permite inyectar el aire en dicha estructura
tubular hueca (51) según una dirección sensiblemente radial, una
hélice de aire externa (66) dispuesta aguas abajo de la hélice de
aire interna (64) y que permite inyectar el aire en dicha estructura
tubular hueca (51) según una dirección sensiblemente radial, un
primer venturi (58) interpuesto entre las hélices de aire interna
(64) y externa (66), un segundo venturi (62) dispuesto aguas abajo
de la hélice de aire externa (66), y una cubeta de premezcla (56)
dispuesta aguas abajo del segundo
venturi (62).
venturi (62).
7. Sistema (50) según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
debajo de la cubeta de premezcla (56).
8. Sistema (72) según la reivindicación 1,
caracterizado porque incluye:
un inyector de combustible (82) que incluye una
primera parte tubular (84) que rodea una segundo parte tubular (90)
de tal modo que define un conducto anular (92) entre dichas primera
(84) y segunda (90) partes tubulares;
un anillo cilíndrico de sostén (80) que rodea
dicha primera parte tubular (84) del inyector de combustible (82)
de tal modo que define un conducto anular (88) entre dicho anillo
cilíndrico de mantenimiento (80) y dicho inyector de combustible
(82);
una cubeta (78) dispuesta en la prolongación de
aguas abajo de dicho anillo cilíndrico de mantenimiento (80);
unos orificios de alimentación de aire (89) que
desembocan en el conducto anular (88) entre dicho anillo de sostén
(80) y dicho inyector de combustible (82) y que permiten inyectar
el aire aguas abajo de dicha primera parte tubular (84) del
inyector de combustible (82);
unos canales de alimentación de aire (96) que
desembocan en un extremo de aguas arriba de dicha segunda parte
tubular (90) del inyector de combustible (82); y
unos canales de alimentación de combustible
(100) que desembocan en el paso anular (92) entre dichas primeras
(84) y segundas (90) partes tubulares y que permiten inyectar
combustible entre dichas primera (84) y segunda (90) partes
tubulares.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Sistema (72) según la reivindicación 8,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo aguas
abajo de dicha segunda parte tubular (90) del inyector de
combustible (82).
10. Sistema (72) según la reivindicación 8,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
abajo de dicha primera parte tubular (84) del inyector de
combustible (82).
11. Sistema (72) según la reivindicación 8,
caracterizado porque dichos medios de generación de plasmas
fríos (42, 42') están dispuestos alrededor de un extremo de aguas
abajo de dicha primera parte tubular (84) del inyector de
combustible (82) y alrededor de un extremo de aguas abajo del anillo
anular de sostén (80).
12. Sistema (10; 50; 72) según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque dichos
medios de generación de plasmas fríos incluyen al menos un par de
electrodos (42, 42') conectados a un generador de corriente alterna
(46).
13. Sistema (10; 50; 72) según la reivindicación
12, caracterizado porque los electrodos (42, 42') de dicho
par de electrodos están alineados radialmente el uno con respecto al
otro.
14. Sistema (10; 50; 72) según la reivindicación
12, caracterizado porque los electrodos (42, 42') de dicho
par de electrodos están desplazados radialmente el uno con respecto
al otro.
15. Sistema (10; 50; 72) según una cualquiera de
las reivindicaciones 3, 4, 7, 9 y 10, caracterizado porque
dichos medios de generación de plasmas fríos incluyen una bobina
solenoide conectada a un generador de corriente alterna (46).
16. Sistema (10; 50; 72) según una cualquiera de
las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque dicho
generador de corriente alterna (6) proporciona unos impulsos
eléctricos de duración comprendida entre 2 y 50 nanosegundos.
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