Generación térmica para una turbina de gas.
Dispositivo de produccion de potencia electrica en una turbina de gas,
o similar, de una aeronave, compuesto de una pluralidad de celulas termoelectricas (44), de las que una cara rodea una fuente caliente (SC), estando la fuente fria (SF) constituida por una circulacion de un fluido frio (F), realizada sobre la otra cara de dichas celulas termoelectricas, dispositivo en el que dicha fuente fria (SF) esta constituida por al menos una zona anular (46) en la que se introduce dicho fluido frio, formando una pared (48) de dicha zona anular un puente termico con la segunda cara de dichas celulas termoelectricas, siendo la segunda pared de la zona anular (46) la envolvente exterior del dispositivo, estando el dispositivo caracterizado porque la fuente caliente esta compuesta por al menos una zona anular (58) en la que circula una parte de los gases de escape (que constituyen el fluido caliente) segun un movimiento en espiral hacia las secciones exteriores; porque la fuente fria esta esta constituida por la citada al menos una zona anular (46) en la que se introduce el fluido frio (F) segun un movimiento en espiral hacia las secciones interiores, y porque al menos un conjunto anular de celulas termoelectricas (44) esta montado concentricamente de tal forma que una de las caras de este conjunto esta en contacto con el fluido frio (F) y la otra cara esta en contacto con el fluido caliente, por lo que se consigue asi un intercambiador cilindrico en contraºcorriente.
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/FR2010/050176.
Solicitante: TURBOMECA.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: BP 2 64510 BORDES FRANCIA.
Inventor/es: BRILLET,CHRISTOPHE.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F02K1/82 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F02 MOTORES DE COMBUSTION; PLANTAS MOTRICES DE GASES CALIENTES O DE PRODUCTOS DE COMBUSTION. › F02K PLANTAS MOTRICES DE PROPULSION A REACCION (disposición o montaje de instalaciones de propulsión a reacción sobre vehículos de tierra o vehículos en general B60K; disposición o montaje de instalaciones de propulsión a reacción en buques B63H; control de la posición de aeronaves, dirección del vuelo o de la altitud, por propulsión a reacción B64C; disposición o montaje de instalaciones de propulsión a reacción en aeronaves B64D; instalaciones caracterizadas porque la potencia del fluido energético se divide entre propulsión a reacción y otra forma de propulsión, p. ej. a hélice, F02B, F02C; características de las instalaciones de propulsión a reacción comunes a las plantas de turbinas de gas o control de la alimentación de combustible en las instalaciones de propulsión a reacción que consumen aire F02C). › F02K 1/00 Plantas o instalaciones caracterizadas por la forma o disposición del conducto del chorro o tobera; Conductos de chorros o toberas particulares a este fin (toberas de cohetes F02K 9/97). › Paredes de los conductos del chorro, p. ej. revestimientos.
- H01L35/30 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 35/00 Dispositivos termoeléctricos que tienen una unión de materiales diferentes, es decir, que presentan el efecto Seebeck o el efecto Peltier, con o sin otros efectos termoeléctricos o termomagnéticos; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o al tratamiento de estos dispositivos de sus partes constitutivas; Detalles (dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común H01L 27/00). › caracterizados por los medios de cambio de calor de la unión.
PDF original: ES-2418148_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Generacion termica para una turbina de gas
La presente invencion tiene por objeto un dispositivo de produccion de potencia electrica por medio de una turbina de gas de aeronave o similar.
Las aeronaves consumen, para sus equipamientos internos, una cantidad de electricidad no despreciable. Esta potencia electrica la produce, en general, un alternador que se alimenta de la potencia mecanica de la turbina de gas. Por lo tanto, resulta interesante disponer de medios de produccion de potencia electrica que no impliquen aumento del consumo de carburante de la aeronave.
Ademas, se conocen celulas termoelectricas capaces de producir una potencia electrica bajo el efecto de un 10 diferencial de temperatura que se les aplica.
En la figura 1 adjunta se ha representado una de estas celulas termoelectricas 10. Esta constituida, esencialmente, por una junta semiconductora compuesta esencialmente por dos elementos 12 y 14, respectivamente dopados o impurificados de tipo N y de tipo P. Estos dos elementos estan unidos entre ellos por un conductor electrico 16 y comprenden dos conexiones electricas que forman los bornes 18 y 19. Lo mas frecuente es que este conjunto, que constituye la celula unitaria termoelectrica, este montado entre dos soportes electricamente aislantes, tales como, por ejemplo, 20 y 22, que faciliten la fijacion de dicha celula sobre otro componente. Por supuesto, es posible asociar varias celulas elementales entre ellas.
Ademas, es bien sabido que la eficacia o el rendimiento de estas celulas es directamente proporcional a la diferencia de temperaturas que existe entre las dos caras de esta celula constituida, por ejemplo, por los soportes aislantes 20
y 22.
En la solicitud de patente PCT WO 2005/017331 se describe un generador de potencia termoelectrica para un motor que utiliza una turbina de gas, especialmente para la propulsion de aeronaves.
En esta solicitud de patente se propone disponer, en torno a una zona caliente, conjuntos de celulas termoelectricas en forma de anillos, sin que se precisen las condiciones de montaje de estos conjuntos de celulas termoelectricas.
En la solicitud de patente PCT WO 01/61768 se describe un dispositivo de produccion de potencia electrica en una turbina de gas o similar de una aeronave, que comprende una pluralidad de celulas termoelectricas, una cara de las cuales rodea una fuente caliente, en la cual la fuente fria esta constituida por una circulacion de un fluido frio, realizada en la otra cara de las citadas celulas termoelectricas.
Ahora bien, como se ha explicado anteriormente, el rendimiento de equipo de produccion de potencia electrica de este tipo depende muy directamente de la diferencia de temperaturas entre la fuente caliente y la fuente fria, entre las que se interponen las celulas termoelectricas.
Un objetivo de la presente invencion es el de suministrar un dispositivo de produccion de potencia electrica mediante una turbina de gas de aeronave o similar, que permita obtener un rendimiento de las celulas termoelectricas substancialmente mejorado, sin aumentar significativamente el consumo de carburante de la aeronave.
Para alcanzar este objetivo segun la invencion, el dispositivo de produccion de potencia electrica en una turbina de gas o similar de una aeronave comprende una pluralidad de celulas termoelectricas, de las que una cara rodea una fuente caliente, y se caracteriza porque la fuente fria esta constituida por una circulacion de un fluido frio realizada sobre la otra cara de dichas celulas termoelectricas, segun la reivindicacion 1.
Se entendera que, en este modo de realizacion, es la circulacion de fluido frio la que constituye la fuente fria 40 aplicable a las celulas termoelectricas, lo que mejora el rendimiento energetico de estas.
Segun un primer modo de ejecucion preferente, el sistema de produccion de potencia electrica se caracteriza porque dicho fluido frio se elige del grupo que comprende el carburante de dicha turbina, el aceite de refrigeracion o de lubricacion, el aire extraido al nivel de los compresores de dicha turbina, el aire de refrigeracion del compartimento motor y el aire exterior a la citada turbina.
Se entendera que la utilizacion de fluidos indicada arriba y, en particular, la del aceite de refrigeracion o del carburante, proporciona una capacidad de refrigeracion elevada, sin que entrafe ningun consumo suplementario significativo, ya que, por supuesto, tanto el carburante como el aceite de refrigeracion son reciclados.
Segun un primer modo ejecucion, la fuente caliente esta constituida por la pared de la tuberia de la turbina recalentada por conveccion por los gases de escape.
Segun la invencion, el sistema se caracteriza porque la citada fuente fria esta constituida por al menos una zona anular en la que se introduce el citado fluido frio. La pared interna de dicha zona anular esta en contacto con el
soporte 20 de dichas celulas termoelectricas. Al ser la pared externa de dicha zona anular la envoltura exterior, es refrigerada por conveccion por el fluido frio.
El dispositivo esta caracterizado por una alternancia de zonas anulares concentricas en las que circulan, alternativamente, la fuente fria y los gases de escape. Entre cada zona anular se encuentran situadas celulas termoelectricas.
Se comprendera que, gracias a la presencia de estas zonas anulares, entre las que se intercalan celulas termoelectricas, se realiza un intercambiador termico a contraºcorriente, con lo que se mejora asi claramente el rendimiento total del dispositivo de produccion de potencia electrica.
Mas concretamente, la fuente caliente esta constituida por al menos una zona anular en la que fluye una parte de los gases de escape (que constituye el fluido caliente) siguiendo un movimiento en espiral hacia las secciones exteriores; y por al menos una zona anular en la que circula el fluido frio siguiendo un movimiento en espiral hacia las secciones interiores. Al menos un conjunto anular de celulas termoelectricas esta montado concentricamente, de tal forma que una de las caras de este conjunto este en contacto con el fluido frio y la otra cara este en contacto con el fluido caliente, razon por la cual se logra un intercambiador cilindrico en contraºcorriente.
La presente invencion consiste tambien en la utilizacion de un dispositivo de produccion de potencia electrica, segun la invencion, para la alimentacion de accesorios de la turbina de gas con electricidad, como, por ejemplo, el FADEC (regulador electronico) o bombas impulsadas por motores electricos.
Finalmente, la presente invencion contiene tambien un turbomotor de helicoptero que tiene un dispositivo de produccion de potencia electrica segun la invencion. Las celulas termoelectricas de dicho dispositivo se montan, preferentemente, en una tuberia de escape de turbomotor.
Otras caracteristicas y ventajas de la invencion se pondran mejor de manifiesto tras la lectura de la descripcion que sigue de varios modos de ejecucion de la invencion, ofrecidos a titulo de ejemplos, no limitativos. La descripcion se refiere a las figuras anexas, en las cuales:
La figura 1, ya descrita, muestra un modo posible de ejecucion de celulas termoelectricas utilizables en la invencion;
La figura 2 es una vista en corte longitudinal de la mitad de una turbina de gas para aeronaves, susceptible de equiparse con el dispositivo de produccion de potencia electrica;
La figura 3 muestra un primer modo de ejecucion del dispositivo de produccion de potencia electrica;
La figura 4 muestra una primera variante de ejecucion del dispositivo de produccion de potencia electrica;
La figura 5A muestra en perspectiva una tuberia de turbina de gas para aeronave equipada con intercambiador de calor para mejorar el rendimiento global del dispositivo de produccion de potencia electrica;
La figura 5B es una vista del extremo de la tuberia equipado con los intercambiadores de calor, segun la flecha VB de la figura 5A; y
La figura 6 muestra de forma sistematica un ejemplo de alimentacion de carburante para constituir la fuente fria.
La figura 2 muestra, de forma simplificada, un ejemplo de turbina de gas de aeronave susceptible de ser equipada con el dispositivo de produccion de potencia electrica segun la invencion. En esta figura se ha representado la turbina de gas 24 con su carter compresor 26, su carter de turbina de alta presion 28, su carter de turbina libre 30 y su tuberia de salida 32. Se ha representado igualmente el arbol de turbina de gas 34 de dicha turbina de gas.
El los modos de ejecucion del dispositivo de produccion de potencia electrica que se van a describir a continuacion, el dispositivo esta montado sobre, o en relacion con, la tuberia... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Dispositivo de produccion de potencia electrica en una turbina de gas, o similar, de una aeronave, compuesto de una pluralidad de celulas termoelectricas (44) , de las que una cara rodea una fuente caliente 5 (SC) , estando la fuente fria (SF) constituida por una circulacion de un fluido frio (F) , realizada sobre la otra cara de dichas celulas termoelectricas, dispositivo en el que dicha fuente fria (SF) esta constituida por al menos una zona anular (46) en la que se introduce dicho fluido frio, formando una pared (48) de dicha zona anular un puente termico con la segunda cara de dichas celulas termoelectricas, siendo la segunda pared de la zona anular (46) la envolvente exterior del dispositivo, estando el dispositivo caracterizado porque la 10 fuente caliente esta compuesta por al menos una zona anular (58) en la que circula una parte de los gases de escape (que constituyen el fluido caliente) segun un movimiento en espiral hacia las secciones exteriores; porque la fuente fria esta esta constituida por la citada al menos una zona anular (46) en la que se introduce el fluido frio (F) segun un movimiento en espiral hacia las secciones interiores, y porque al menos un conjunto anular de celulas termoelectricas (44) esta montado concentricamente de tal forma que una de las caras de este conjunto esta en contacto con el fluido frio (F) y la otra cara esta en contacto con el fluido caliente, por lo que se consigue asi un intercambiador cilindrico en contraºcorriente.
2. Dispositivo de produccion de potencia electrica segun la reivindicacion 1, caracterizado porque dicho fluido frio (F) es elegido del grupo formado por el carburante de la citada turbina, el aceite de refrigeracion o de lubrificacion, el aire extraido al nivel de los compresores de dicha turbina, el aire de refrigeracion del
compartimento motor y el aire exterior a la citada turbina.
3. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la fuente caliente mencionada (SC) esta constituida por la pared (42) de la tuberia (32) de dicha turbina, calentada por conveccion por los gases de escape.
4. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende una pluralidad
de zonas anulares (58) unidas entre si, en las que circula una parte de los gases de escape, y una pluralidad de zonas anulares (46) conectadas entre si, por las que circula el fluido frio, y una pluralidad de conjuntos anulares (44) de celulas termoelectricas, estando cada conjunto anular situado entre una zona anular (58) para los gases de escape y una zona anular (46) para el fluido frio (F) .
5. Utilizacion del dispositivo de produccion de potencia electrica segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30 4, para la alimentacion de gas y electricidad a accesorios de la turbina.
6. Turbomotor de helicoptero que comprende un dispositivo de produccion de potencia electrica segun cualquiera de las especificaciones 1 a 4.
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