ES2640795T3

ES2640795T3 - Pared anular de cámara de combustión de turbomáquina

Info

Publication number: ES2640795T3
Application number: ES12756782.4T
Authority: ES
Inventors: Nicolas SAVARY; Claude BERAT; Guy Grienche; Patrick Berteau; Hubert Pascal Verdier
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2011-08-26
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2017-11-06
Anticipated expiration: 2032-08-22
Also published as: CA2843690C; US10156358B2; RU2614305C2; EP2748532B1; CN103765108A; CN103765108B; RU2014111483A; JP2014525557A; CA2843690A1; WO2013030492A1; EP2748532A1; KR20140051969A; FR2979416B1; FR2979416A1; KR101971305B1; JP6012733B2; US20140208763A1; PL2748532T3

Abstract

Pared anular (11, 12) de cámara de combustión (4) de turbomáquina, teniendo dicha pared (11, 12) un lado frío y un lado caliente, y estando provista de al menos un agujero primario (17) para permitir que un primer caudal de aire que circula por el lado frío de la pared (11, 12) penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para alimentar la combustión de un combustible en el interior de la cámara de combustión (4), y de una pluralidad de agujeros de refrigeración (19), teniendo cada uno de ellos un diámetro no superior a 1 mm, para permitir que un segundo caudal de aire que circula por el lado frío de la pared (11, 12) penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para refrigerar el lado caliente de la pared (11, 12), siendo también apta dicha pluralidad de agujeros de refrigeración (19) para encargarse de la dilución de gases de combustión (20) procedentes de dicho combustión mediante el caudal de aire que penetra por el lado caliente de la pared (11, 12) a través de los agujeros de refrigeración (19).

Description

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DESCRIPCION

Pared anular de camara de combustion de turbomaquina Antecedentes de la invencion

La presente invencion se refiere al campo de las camaras de combustion para turbomaquinas y, en particular, a las paredes anulares de camaras de combustion de turbomaquinas, que incluyen un lado frio y un lado caliente.

Por “turbomaquina” se entiende, en el presente contexto, una maquina que permite la conversion de la energia termica de un fluido de trabajo en energia mecanica por expansion de dicho fluido de trabajo en una turbina. En la descripcion que sigue, los terminos "aguas arriba" y "aguas abajo" estan definidos con relacion al sentido normal de circulacion del fluido de trabajo dentro de la turbomaquina.

En particular, la presente invencion se refiere a las turbomaquinas llamadas de combustion interna, en las que el fluido de trabajo de la turbina incluye al menos una parte de los productos de una combustion que ha aportado esta energia termica al fluido de trabajo. Entre tales turbomaquinas, se hallan especialmente las turbinas de gas, los turborreactores, los turbohelices y los turboejes. Tipicamente, tales turbomaquinas de combustion interna comprenden, aguas arriba de la turbina, una camara de combustion en la que se mezcla un combustible con el fluido de trabajo, tipicamente aire, y se quema. De este modo, la energia quimica contenida en el combustible es convertida en energia termica en la camara de combustion, calentando asi el fluido de trabajo, cuya energia termica se convertira, a continuacion, en energia mecanica en la turbina. Tipicamente, una turbomaquina de este tipo tambien incluye, aguas arriba de la camara de combustion, un compresor arrastrado por un arbol rotativo comun para al menos una etapa de la turbina para comprimir el aire antes de la combustion.

En una turbomaquina de este tipo, la camara de combustion incluye tipicamente al menos una pared anular provista de agujeros para permitir que el aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared. Una pared de este tipo discurre, en el sentido del flujo del fluido de trabajo, entre un fondo de la camara de combustion, donde normalmente estan situados unos inyectores de combustible, y una salida de gases de combustion. La camara de combustion esta situada tipicamente en el interior de un carter de generador de gas, el cual esta comunicado con el compresor para recibir, dentro de este ultimo, aire presurizado.

En una camara de combustion de este tipo, el caudal de aire a traves de estos agujeros cumple varias misiones. En una primera zona, llamada zona primaria, proxima al fondo de la camara y, por tanto, a los inyectores, la pared incluye al menos un agujero llamado primario y que principalmente sirve para alimentar con aire la reaccion de combustion con el combustible inyectado por los inyectores. No obstante, el aire que entra a la camara de combustion a traves de agujeros situados en una segunda zona mas aguas abajo, llamada zona de dilucion, sirve principalmente para diluir los gases de combustion, para, asi, disminuir su temperatura a la salida de la camara de combustion y, con ello, limitar los requerimientos termicos sobre la turbina aguas abajo de la camara de combustion.

El documento EP 1811231 A2 describe una camara de combustion de turbomaquina de este tipo que tiene paredes anulares con tres tipos de agujeros diferentes para el paso de aire al interior de la camara de combustion. Unos agujeros primarios alimentan la combustion con aire primario. El aire que pasa por unos agujeros de dilucion sirve para diluir los gases de combustion resultantes de la combustion con el aire primario. Unos agujeros de refrigeracion permiten el paso del aire que sirve para refrigerar las paredes.

No obstante, con el fin de aumentar la eficiencia del ciclo termodinamico de la turbomaquina, se tiene tendencia a aumentar cada vez mas la temperatura dentro de la camara de combustion. Esto plantea considerables requerimientos termicos tambien sobre las paredes de la envolvente de la camara de combustion. Con objeto de refrigerar estas paredes, las mismas pueden presentar tambien un gran numero de agujeros de refrigeracion de pequeno diametro, normalmente no superior a 1 mm. El aire que a traves de estos agujeros de refrigeracion entra a la camara de combustion forma una pelicula relativamente fria por el lado caliente de cada pared, protegiendo asi el material de las paredes del calor de combustion.

En la zona de dilucion de las camaras de combustion del estado de la tecnica, se han conservado por un lado, no obstante, agujeros de dilucion de gran diametro, normalmente superior a 1 mm, para la dilucion de los gases de combustion y, por otra parte, agujeros de refrigeracion de pequeno diametro, no superior a 1 mm, para la refrigeracion de las paredes de la camara de combustion, ciertamente pensando los tecnicos en la materia que se necesitarian chorros de aire que solo pueden ser producidos por agujeros de gran diametro para penetrar profundamente en el flujo de la camara de combustion y, asi, obtener, aguas abajo, una buena mezcla del aire de dilucion con los gases de combustion. No obstante, esto presenta otros inconvenientes. En particular, estos chorros de aire de dilucion pueden provocar notables heterogeneidades en la temperatura en el interior de la camara de combustion. Ahora bien, por motivos medioambientales y de eficiencia de combustion, dentro de la camara de combustion, interesa tener una distribucion lo mas homogenea posible de la temperatura. Picos de temperatura en su interior pueden provocar la formacion de oxidos nitrosos, en tanto que, en zonas de mas baja temperatura, puede permanecer combustible sin quemar.

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Objeto y sumario de la invencion

La presente invencion se refiere a una pared anular de camara de combustion de turbomaquina segun la reivindicacion 1, que incluye un lado frio y un lado caliente, estando provista dicha pared de al menos un agujero primario, para permitir que un primer caudal de aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared para alimentar la combustion de un combustible en el interior de la camara de combustion, y de una pluralidad de agujeros de refrigeracion, teniendo cada uno de ellos un diametro no superior a 1 mm, para permitir que un segundo caudal de aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared para refrigerar el lado caliente de la pared.

Un objeto de la presente invencion es el de homogeneizar la distribucion de temperatura dentro de la camara de combustion, al propio tiempo que se aumenta la eficiencia del ciclo termodinamico de la turbomaquina. Para ello, de acuerdo con la invencion, la pluralidad de agujeros de refrigeracion tambien esta adaptada para encargarse de la dilucion de gases de combustion procedentes de dicha combustion mediante el caudal de aire que penetra por el lado caliente de la pared a traves de los agujeros de refrigeracion. Contrariamente a la idea preconcebida de los tecnicos en la materia, se ha comprobado que la aportacion de aire a traves de tales orificios de pequeno diametro basta para asegurar no solo la refrigeracion de las paredes de la camara de combustion, sino tambien un mezclado eficaz de los gases de combustion con el aire aportado por estos orificios de pequeno diametro, dando como resultado una dilucion eficaz de los gases de combustion.

En particular, de acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, en una camara de combustion de este tipo, dichos agujeros de refrigeracion pueden representar al menos el 50 % de una superficie total de paso de aire a traves de la pared y, mas especificamente, al menos el 97 % de una superficie total de paso de aire a traves de la pared aguas abajo de dicho al menos un agujero primario. Asi, se puede prescindir sobradamente de orificios de gran diametro para la dilucion de los gases de combustion, lo cual no solo ayuda a evitar las heterogeneidades en el flujo dentro de la camara de combustion, sino que tambien puede facilitar la fabricacion de la zona de dilucion de la camara de combustion.

De acuerdo con un tercer aspecto, con el fin de mejorar el mezclado de los gases de combustion con el aire aportado por los agujeros de refrigeracion, cada agujero de una pluralidad de dichos agujeros de refrigeracion esta orientado segun un eje que en su proyeccion sobre la pared presenta un angulo 0 al menos igual a 45° con respecto a la direccion de un eje central de la pared. En particular, dicho angulo 0 podria estar entre 85° y 95°. De este modo, el aire inyectado en la camara de combustion a traves de los agujeros de refrigeracion seguira un flujo helicoidal, que prolonga su permanencia dentro de la camara de combustion y espesa la pelicula de aire relativamente frio adyacente al lado caliente de la pared, lo cual beneficia no solo la refrigeracion de la pared, sino tambien el mezclado de los gases de combustion con el aire de esta pelicula mas espesa.

De acuerdo con un cuarto aspecto, con el fin tambien de mejorar el mezclado de los gases de combustion con el aire introducido por los agujeros de refrigeracion, cada agujero de una pluralidad de dichos agujeros de refrigeracion esta orientado segun un eje que presenta, con respecto a la pared, un angulo p no superior a 45°, y preferentemente no superior a 30°. Asi, se asegura la estabilidad de la pelicula de aire relativamente frio adyacente al lado caliente de la pared.

No obstante, de acuerdo con un quinto aspecto, y con el fin tambien de estabilizar la pelicula de aire frio, dicho angulo p es al menos igual a 15°, y preferentemente al menos igual a 20°.

La presente invencion tambien se refiere a una camara de combustion de turbomaquina que incluye una pared interior y una pared exterior concentricas, siendo dicha pared interior y/o dicha pared exterior una pared anular segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

La presente invencion tambien se refiere a una turbomaquina, tal como una turbina de gas, turborreactor, turbohelice o turboeje, en particular para una aplicacion aeronautica, que incluye una camara de combustion con al menos una pared anular segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

La presente invencion tambien se refiere a un procedimiento de dilucion de los gases de combustion dentro de una camara de combustion de turbomaquina, turbomaquina segun la reivindicacion 10, incluyendo dicha camara de combustion al menos una pared anular con un lado frio y un lado caliente, y que esta provista de al menos un agujero primario, para permitir que un primer caudal de aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared para alimentar la combustion de un combustible en el interior de la camara de combustion, y de una pluralidad de agujeros de refrigeracion, teniendo cada uno de ellos un diametro no superior a 1 mm, para permitir que un segundo caudal de aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared para refrigerar el lado caliente de la pared, procedimiento en el que el caudal de aire que penetra por el lado caliente de la pared tambien se encarga de la dilucion de los gases de combustion.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion se comprendera perfectamente y sus ventajas apareceran de una manera mas evidente con la lectura de la descripcion que sigue de una forma de realizacion representada a titulo de ejemplo no limitativo. La descripcion

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hace referencia a los dibujos que se acompanan, en los cuales: la figura 1 es una seccion longitudinal esquematica de una turbomaquina;

la figura 2 es una seccion longitudinal esquematica de una camara de combustion de la tecnica anterior;

la figura 3 es una seccion longitudinal esquematica de una camara de combustion segun una primera forma de realizacion de la invencion;

la figura 4A es un detalle de una pared de la camara de combustion de la figura 3, en proyeccion cilindrica; y la figura 4B es un detalle de la misma pared, en seccion transversal segun la linea IVB-IVB.

Descripcion detallada de la invencion

En la figura 1 se ilustra esquematicamente, a titulo explicativo, una turbomaquina, mas especificamente en forma de un turboeje 1. Este turboeje 1 incluye, en el sentido de flujo de un fluido de trabajo, un compresor centrifugo 3, una camara de combustion anular 4, una primera turbina axial 5 y una segunda turbina axial 6. Adicionalmente, el turboeje 1 tambien comprende un primer arbol rotativo 7 y un segundo arbol rotativo 8 coaxial con el primer arbol rotativo 7.

El segundo arbol rotativo 8 une el compresor centrifugo 3 a la primera turbina axial 5, de manera que la expansion del fluido de trabajo dentro de esta primera turbina axial 5 aguas abajo de la camara de combustion 4 sirva para accionar el compresor 3 aguas arriba de la camara de combustion 4. El primer arbol rotativo 7 une la segunda turbina axial 6 a una salida de potencia 9 posicionada aguas abajo y/o aguas arriba de la maquina, de tal modo que la subsiguiente expansion del fluido de trabajo dentro de la segunda turbina axial 6 aguas abajo de la primera turbina axial 5 sirva para accionar la salida de potencia 9.

De este modo, la compresion del fluido de trabajo dentro del compresor centrifugo 3, seguida de un recalentamiento del fluido de trabajo dentro de la camara de combustion 4, y su expansion dentro de la segunda turbina axial 6 permiten la conversion de una parte de la energia termica introducida por la combustion en la camara de combustion 4 en trabajo mecanico extraido por la salida de potencia 9. En la turbomaquina ilustrada, el fluido motor es aire, al que se anade y en el cual se quema un combustible dentro de la camara de combustion 4, combustible tal como, por ejemplo, un hidrocarburo.

En la figura 2 se ilustra una camara de combustion 204 de la tecnica anterior. Esta camara de combustion 204 incluye una pared interior 211 y una pared exterior 212 que, anulares y concentricas, parten de un fondo 213, en el que concurren las dos paredes 211 y 212, hasta una salida de los gases de combustion. La camara de combustion 204 puede estar dividida en una zona primaria 204a, en la que estan situados unos inyectores de combustible 215, y una zona de dilucion 204b, aguas abajo de la zona primaria 204a. En el ejemplo ilustrado, la camara de combustion 204 es de las que presentan un codo 216 con el fin de limitar la ocupacion axial de espacio. Este tipo de camaras de combustion es particularmente corriente entre las turbomaquinas de compresor centrifugo, sobre todo cuando estas son turboejes tal como el ilustrado en la figura 1.

Las paredes 211 y 212 de esta camara de combustion 204 presentan tres tipos de agujeros diferentes, que permiten los tres el paso de caudales de aire del lado frio de las paredes 211, 212, en el exterior de la camara de combustion 204, al lado caliente de las paredes 211, 212, en el interior de la camara de combustion 204. Son un primer tipo de agujeros los agujeros llamados primarios 217, situados en la zona primaria 204a y que permiten el paso de aire que sirve para alimentar la combustion del combustible inyectado por los inyectores 215. Aguas abajo de estos agujeros primarios 217, las paredes 211, 212 tambien incluyen un segundo tipo de agujeros que, llamados agujeros de dilucion 218, permiten el paso de aire que sirve para diluir los gases de combustion 220 resultantes de la combustion del combustible inyectado por los inyectores 215 con el aire entrante por los agujeros primarios 217. Las paredes 211, 212 tambien incluyen un tercer tipo de agujeros que, llamados agujeros de refrigeracion 219, permiten el paso de aire que sirve para refrigerar el lado caliente de cada una de las paredes 211,212. Los tres tipos de agujeros se diferencian especialmente por sus tamanos diferentes. Asi, los agujeros primarios 217 y, sobre todo, los agujeros de dilucion 218 presentan diametros sensiblemente mas grandes que los agujeros de refrigeracion 219. En efecto, en tanto que estos ultimos, repartidos en gran numero por la superficie de las paredes 211, 212, tienen cada uno de ellos un diametro no superior a 1 mm, los agujeros de dilucion 218 tienen diametros del orden de 5 mm y mas. De este modo, cuando la turbomaquina esta en funcionamiento, el aire que penetra por el lado caliente de las paredes 211, 212 a traves de los agujeros de refrigeracion 219 forma una pelicula de aire 221 relativamente frio que permanece adyacente a las paredes 211, 212 con el fin de protegerlas del calor de los gases de combustion 220, el aire que penetra a traves de los agujeros de dilucion 218 forma chorros 222 que penetran profundamente en la camara de combustion 204 para mezclarse con los gases de combustion 220 en la zona de dilucion 204b.

En la figura 3, se ilustra una camara de combustion 4 segun una forma de realizacion de la invencion. Esta camara de combustion 4 tambien incluye una pared interior 11 y una pared exterior 12 que, anulares y concentricas, parten de un fondo 13, en el que concurren las dos paredes 11 y 12, hasta una salida de los gases de combustion. La camara de combustion 4 tambien puede estar dividida en una zona primaria 4a, en la que estan situados unos

inyectores de combustible 15, y una zona de dilucion 4b, aguas abajo de la zona primaria 4a. En la forma de realizacion ilustrada, las paredes interior y exterior estan separadas por una distancia radial maxima h, y la profundidad de la zona primaria en direccion al eje central X de la camara de combustion es igual a esta distancia h. En el ejemplo ilustrado, la camara de combustion 4 tambien es de las que presentan un codo 16 con el fin de limitar 5 su ocupacion axial de espacio.

No obstante, contrariamente a la camara de combustion 204 de la tecnica anterior, esta camara de combustion 4 tan solo presenta dos tipos de agujeros que permiten el paso de caudales de aire del lado frio de las paredes 11, 12, en el exterior de la camara de combustion 4, al lado caliente de las paredes 11, 12, en el interior de la camara de combustion 4: agujeros primarios 17 y agujeros de refrigeracion 19. De este modo, aguas abajo de dichos agujeros 10 primarios 17, y en particular, en la zona de dilucion 4b, las paredes 11, 12 practicamente no presentan agujeros de paso de aire de diametro superior a 1 mm. Aunque las paredes 11, 12 puedan presentar algunos otros orificios, como, por ejemplo, agujeros para la inspeccion endoscopica de la camara de combustion 4, los agujeros de refrigeracion 19 representan al menos el 50 % de una superficie total de paso de aire a traves de las paredes 11, 12, y al menos el 97 % en la zona de dilucion 4b.

15 En esta camara de combustion 4, por la ausencia de los agujeros de dilucion especificos de mayor diametro, la dilucion de los gases de combustion 20 se efectua de manera practicamente exclusiva por el aire que penetra en la camara de combustion 4 a traves de los agujeros de refrigeracion 19, mezclandose efectivamente con los gases de combustion 20 el aire de la pelicula de aire 21 adyacente a las paredes 11, 12. Con objeto de facilitar esta mezcla, en la forma de realizacion ilustrada, los agujeros de refrigeracion 19 estan orientados en orden a impulsar en una 20 trayectoria helicoidal el aire que penetra en la camara de combustion 4 a traves de estos agujeros de refrigeracion 19. De este modo, tal como se ilustra en las figuras 4A y 4B, en esta forma de realizacion, cada agujero de refrigeracion 19 esta orientado segun un eje que presenta, con respecto a la pared 11, 12, un angulo p dentro del margen comprendido entre 20° y 30° y que, en su proyeccion sobre la pared, presenta un angulo 0 de aproximadamente 90° con respecto a la direccion del eje central X. Asi, la camara de combustion 4 ilustrada logra 25 diluir los gases de combustion 20 de manera homogenea y efectiva, prescindiendo de agujeros de dilucion especificos de gran diametro y, evitando, asi, los inconvenientes relacionados con los mismos.

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REIVINDICACIONES

1. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina, teniendo dicha pared (11, 12) un lado frio y un lado caliente, y estando provista de al menos un agujero primario (17) para permitir que un primer caudal de aire que circula por el lado frio de la pared (11, 12) penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para alimentar la combustion de un combustible en el interior de la camara de combustion (4), y de una pluralidad de agujeros de refrigeracion (19), teniendo cada uno de ellos un diametro no superior a 1 mm, para permitir que un segundo caudal de aire que circula por el lado frio de la pared (11, 12) penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para refrigerar el lado caliente de la pared (11, 12), siendo tambien apta dicha pluralidad de agujeros de refrigeracion (19) para encargarse de la dilucion de gases de combustion (20) procedentes de dicho combustion mediante el caudal de aire que penetra por el lado caliente de la pared (11, 12) a traves de los agujeros de refrigeracion (19).
2. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun la reivindicacion 1, en la que dichos agujeros de refrigeracion (19) representan al menos el 50 % de una superficie total de paso de aire a traves de la pared (11, 12).
3. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en la que dichos agujeros de refrigeracion (19) representan al menos el 97 % de una superficie total de paso de aire a traves de la pared (11, 12) aguas abajo de dicho al menos un agujero primario (17).
4. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que cada agujero de una pluralidad de dichos agujeros de refrigeracion (19) esta orientado segun un eje que en su proyeccion sobre la pared (11, 12) presenta un angulo 0 al menos igual a 45° con respecto a la direccion de un eje central (X) de la pared (11, 12).
5. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun la reivindicacion 4, en la que dicho angulo 0 esta entre 85° y 95°.
6. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun una cualquiera de las anteriores reivindicaciones, en la que cada agujero de una pluralidad de dichos agujeros de refrigeracion (19) esta orientado segun un eje que presenta, con respecto a la pared (11, 12), un angulo p no superior a 45°, y preferentemente no superior a 30°.
7. Pared anular (11, 12) de camara de combustion (4) de turbomaquina segun la reivindicacion 6, en la que dicho angulo p es al menos igual a 15°, y preferentemente al menos igual a 20°.
8. Camara de combustion (4) de turbomaquina que incluye una pared interior (11) y una pared exterior (12) concentricas, siendo dicha pared interior (11) y/o dicha pared exterior (12) una pared anular segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Turbomaquina (1) que incluye una camara de combustion (4) con al menos una pared anular (11, 12) segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
10. Procedimiento de dilucion de los gases de combustion (20) en una camara de combustion (4) de turbomaquina, incluyendo dicha camara de combustion (4) al menos una pared anular (11, 12) con un lado frio y un lado caliente, y estando provista de al menos un agujero primario (17) para permitir que un primer caudal de aire que circula por el lado frio de la pared penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para alimentar la combustion de un combustible en el interior de la camara de combustion (4), y de una pluralidad de agujeros de refrigeracion (19), teniendo cada uno de ellos un diametro no superior a 1 mm, para permitir que un segundo caudal de aire que circula por el lado frio de la pared (11, 12) penetre por el lado caliente de la pared (11, 12) para refrigerar el lado caliente de la pared (11, 12), procedimiento en el cual el caudal de aire que penetra por el lado caliente (11, 12) tambien se encarga de la dilucion de los gases de combustion (20).