GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD EN UNA TURBOMÁQUINA MEDIANTE UN MOTOR DE STIRLING.

Turbomáquina de doble flujo (10), que comprende un cárter de escape (24) unido por brazos radiales (36) a paredes cilíndricas coaxiales (28,

30, 32, 34) que delimitan venas de circulación de un flujo primario (B) de gases de escape calientes y de un flujo secundario (A) de aire frío, estando caracterizada la turbomáquina porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial (36) y que comprende dos intercambiadores térmicos, de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial (36) que interceptan respectivamente el flujo primario (B) y el flujo secundario (A)

La presente invención se refiere a la generación de electricidad en las turbomáquinas, en particular de doble flujo, tales como los turborreactores de aviones. 5

La alimentación eléctrica de los aviones está asegurada en general por generadores electromecánicos integrados en los turborreactores de estos aviones y arrastrados por una toma de potencia en compresores de alta presión de los turborreactores.

No siendo utilizada para la propulsión la potencia mecánica así tomada, este 10 tipo de generador eléctrico penaliza de modo sensible el rendimiento de los turborreactores.

Es ya conocido arrastrar un generador eléctrico por medio de un motor que funciona según un ciclo de Stirling, pero un generador de este tipo es una máquina pesada concebida para funcionar en cogeneración con medios de 15 calentamiento de inmuebles o de edificios como se describe por ejemplo en el documento GB-A-2 391 299, y no está adaptado para una utilización en una turbomáquina aeronáutica.

La invención tiene especialmente por objetivo aportar una solución simple, económica y eficaz al problema de la generación de electricidad en las 20 turbomáquinas de doble flujo, que permita evitar los inconvenientes de la técnica conocida.

Ésta tiene por objetivo igualmente la generación de electricidad en una turbomáquina según el principio de cogeneración, sacando partido de la energía térmica disipada en los gases de escape. 25

Ésta tiene también por objetivo la integración de un motor Stirling en una turbomáquina de modo que se reduzca al mínimo el aumento del peso total de la turbomáquina y las dimensiones del motor Stirling y de los medios asociados de generación de energía eléctrica.

El documento DE-A1-30 31 872 describe un motor Stirling. 30

El documento GB-A-2 041 090 describe una turbomáquina que corresponde sensiblemente al preámbulo de la reivindicación 1.

A tal efecto, la invención propone una turbomáquina de doble flujo, que comprende un cárter de escape unido por brazos radiales a paredes cilíndricas coaxiales delimitando venas de circulación de un flujo primario de gases de 35

escape calientes y de un flujo secundario de aire frío, caracterizada porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial y que comprende dos intercambiadores térmicos de calentamiento y de enfriamiento respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial que interceptan respectivamente el flujo 5 primario y el flujo secundario.

El motor térmico de ciclo de Stirling, denominado habitualmente « motor Stirling » o motor de aire caliente, permite sacar partido de la diferencia de temperatura entre el flujo primario de gases de escape y el flujo secundario de aire frío para generar energía mecánica, susceptible de ser convertida en energía 10 eléctrica. Este tipo de motor se caracteriza por un rendimiento muy bueno que puede llegar al 40 % del máximo teórico, por una fiabilidad muy buena y una gran longevidad.

El ciclo teórico de funcionamiento de un motor de este tipo comprende cuatro fases sucesivas: una fase de calentamiento isócoro seguida de una fase de 15 expansión isoterma del fluido de trabajo, y después una fase de enfriamiento isócoro seguida de una fase de compresión isoterma del fluido de trabajo.

El motor Stirling comprende igualmente una cámara de trabajo situada fuera de los flujos primario y secundario y en la cual está dispuesto un pistón desplazador asociado a un elemento móvil de un sistema de generación de 20 energía, comunicando la cámara de trabajo con los intercambiadores para la circulación del fluido de trabajo.

Ventajosamente, los intercambiadores de calentamiento y de enfriamiento están unidos por un regenerador destinado a acumular energía térmica durante la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling y ceder energía térmica durante la fase 25 de recalentamiento.

Este regenerador es un intercambiador que forma acumulador térmico que permite aumentar el rendimiento del motor Stirling.

De acuerdo con otra característica de la invención, el regenerador está alojado en una parte del brazo radial situada entre las venas de circulación del 30 flujo primario y del flujo secundario, con el fin de que los intercambios térmicos entre el fluido de trabajo y el regenerador no resulten perturbados por los flujos primario y secundario.

Por razones análogas, la cámara de trabajo está dispuesta preferentemente en la extremidad radialmente interna del brazo radial y radialmente al interior de la pared cilíndrica interna que delimita la vena de circulación del flujo primario.

De acuerdo con un modo de realización preferido de la invención, el pistón desplazador está dispuesto de manera que divide de modo estanco la cámara de 5 trabajo en dos zonas, de las cuales la primera está unida al intercambiador de calentamiento y la segunda está unida al intercambiador de enfriamiento por un conducto térmicamente aislado que atraviesa el intercambiador de calentamiento y el regenerador.

Esta disposición permite reducir las dimensiones del dispositivo al tiempo 10 que habilita un espacio para el regenerador.

En una primera forma de realización, el pistón desplazador comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en la dirección de desplazamiento del pistón y en el interior de la cual está montado un imán permanente fijo, estando provisto el pistón desplazador de un arrollamiento de hilo eléctrico dispuesto alrededor de 15 la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica para el arrastre del pistón desplazador.

En otra forma de realización, la cámara de trabajo comprende una rueda unida por bielas al elemento móvil del sistema de generación de energía y al pistón desplazador. 20

Ventajosamente, el motor Stirling está sellado y lleno de un gas inerte a presión tal como el helio. En variante, éste puede comprender una llegada de gas a presión, por ejemplo a la cámara de trabajo o a uno de los intercambiadores, con el objeto de aumentar la presión del fluido de trabajo y por consiguiente, el rendimiento del motor Stirling. 25

Ventajosamente, el brazo radial comprende aletas de intercambio térmico en su superficie externa y/o interna situada en las venas de circulación de los flujos primario y secundario.

En el modo de realización preferido de la invención, el elemento móvil del sistema de generación de energía está soportado por un medio elástico de 30 solicitación fijado a la cámara de trabajo y comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en su dirección de desplazamiento y en el interior de la cual está dispuesto un imán permanente fijo, estando provisto el elemento móvil de un arrollamiento de hilo eléctrico dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y

unido a una interfaz eléctrica para permitir una conversión de la energía mecánica en energía eléctrica.

La invención permite, así, generar electricidad, para facilitar la alimentación eléctrica de por ejemplo una aeronave, y esto sin tener que tomar energía mecánica útil de la turbomáquina. 5

La invención se comprenderá mejor y otros detalles, ventajas y características de ésta se pondrán de manifiesto de modo más claro con la lectura de la descripción que sigue hecha a título de ejemplo no limitativo, refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista esquemática en corte axial de una turbomáquina de 10 acuerdo con la invención;

- la figura 2 es una vista esquemática parcial en corte longitudinal y a escala mayor de un brazo de cárter de escape de la turbomáquina de la figura 1;

- la figura 3 es una vista semejante a la figura 2 e ilustra la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling del motor térmico integrado en el brazo de 15 cárter de escape;

- la figura 4 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de compresión del ciclo de Stirling;

- la figura 5 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de calentamiento del ciclo de Stirling; 20

- la figura 6 es una vista semejante a la figura 3 e ilustra la fase de expansión del ciclo de Stirling;

- la figura 7 es...

1. Turbomáquina de doble flujo (10), que comprende un cárter de escape (24) unido por brazos radiales (36) a paredes cilíndricas coaxiales (28, 30, 32, 34) que delimitan venas de circulación de un flujo primario (B) de gases de escape calientes y de un flujo secundario (A) de aire frío, estando caracterizada la 5 turbomáquina porque ésta está equipada al menos con un motor térmico de ciclo de Stirling montado en el extremo de un brazo radial (36) y que comprende dos intercambiadores térmicos, de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) respectivamente de un fluido de trabajo, formados en partes del brazo radial (36) que interceptan respectivamente el flujo primario (B) y el flujo secundario (A). 10

2. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los dos intercambiadores de calentamiento (58) y de enfriamiento (62) están unidos por un regenerador (64) destinado a acumular energía térmica durante la fase de enfriamiento del ciclo de Stirling y ceder energía térmica durante la fase de recalentamiento. 15

3. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque el regenerador (64) está alojado en una parte del brazo radial (36) situada entre las venas de circulación del flujo primario (B) y del flujo secundario (A).

4. Turbomáquina de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el motor Stirling comprende una cámara de trabajo (40) 20 situada fuera de los flujos primario (B) y secundario (A) y en la cual está dispuesto un pistón desplazador (42) asociado a un elemento móvil (44) de un sistema de generación de energía, comunicando esta cámara de trabajo (40) con los dos intercambiadores (58, 62) para la circulación de un fluido de trabajo.

5. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada 25 porque la cámara de trabajo (40) está dispuesta en la extremidad radialmente interna del motor térmico.

6. Turbomáquina (10) de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizada porque el pistón desplazador (42) está dispuesto de manera que divide de modo estanco la cámara de trabajo (40) en dos zonas, de las cuales la 30 primera (56) está unida al intercambiador de calentamiento (58) y la segunda (60) está unida al intercambiador de enfriamiento (62).

7. Turbomáquina (10) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque la segunda zona (60) está unida al intercambiador de enfriamiento (62)

por un conducto térmicamente aislado (68) que atraviesa el intercambiador de calentamiento (58) y el regenerador (64).

8. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizada porque el pistón desplazador (42) comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en la dirección de desplazamiento del pistón y en el interior de la 5 cual está montado un imán permanente fijo (48), estando provisto el pistón desplazador de un arrollamiento de hilo eléctrico (50) dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica (52) para el arrastre del pistón desplazador (42).

9. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7, 10 caracterizada porque la cámara de trabajo (40) comprende una rueda (90) unida al elemento móvil (44) del sistema de generación de energía y al pistón desplazador (42) por bielas (94, 100), para el arrastre del pistón desplazador (42).

10. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 9, caracterizada porque el motor Stirling comprende una llegada de gas inerte a 15 presión (76) a la cámara de trabajo (40) o a uno de los intercambiadores (58, 62).

11. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 10, caracterizada porque el elemento móvil (44) del sistema de generación de energía está soportado por un medio elástico de solicitación (70) fijado a la cámara de trabajo (40) y comprende una cavidad cilíndrica que se extiende en su dirección 20 de desplazamiento y en el interior de la cual está dispuesto un imán permanente fijo (72), estando provisto el elemento móvil (44) de un arrollamiento de hilo eléctrico (74) dispuesto alrededor de la cavidad cilíndrica y unido a una interfaz eléctrica (52) para permitir una conversión de la energía mecánica en energía eléctrica. 25

12. Turbomáquina (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el brazo radial (36) comprende aletas de intercambio térmico (38) en su superficie externa y/o interna situada en las venas de circulación de los flujos primario (B) y secundario (A).

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