Amortiguador sonoro de turbina para recuperar energía cinética de los gases de escape de un motor de turbina de gas.

Un amortiguador sonoro de turbina para recuperar energía cinética de los gases de escape emitidos por un motor de turbina de gas,

al tiempo que también amortigua los gases de escape, de tal manera que el amortiguador sonoro comprende:

una entrada para recibir los gases de escape emitidos por el motor de turbina de gas;

un mecanismo de recuperación de energía cinética, que comprende una turbina destinada a convertir la energía cinética de los gases de escape en energía de rotación; y

una salida, a través de la cual los gases de escape reducidos en energía son emitidos tras haber sido reducida su energía por el mecanismo de recuperación de energía cinética, de tal manera que el amortiguador sonoro de turbina está caracterizado por que comprende

un ventilador de paso en derivación, accionado por la turbina, de tal modo que el ventilador de paso en derivación arrastra aire de paso en derivación al interior del amortiguador sonoro de turbina.

Amortiguador sonoro de turbina para recuperar energía cinética de los gases de escape de un motor de turbina de gas

Campo técnico

La presente invención se refiere generalmente a sistemas de recuperación de energía cinética y, en particular, a la recuperación de energía cinética de motores de turbina de gas.

Antecedentes

Las células de ensayo de motores de turbina de gas son bien conocidas en la técnica y se utilizan para ensayar y medir el rendimiento de motores de turbina de gas de nuevo diseño o recientemente revisados. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de célula de ensayo convencional de motor instalado por fuera del fuselaje. Tales células de ensayo incluyen habitualmente un pabellón de entrada 10, una sección de ensayo 20, que aloja el motor de turbina de gas 30 que se ha de ensayar, un tubo aumentador 40 y un pabellón de escape 50.

Como se ha representado en la Figura 1, el pabellón de entrada 10 de la célula de ensayo convencional incluye, por lo común, unos elementos divisorios de toma 12 (para el tratamiento acústico) y unos vanos de giro 14. La separación del pabellón de toma con respecto a la sección de ensayo 20 consiste, por lo común, en una pantalla de flujo 16 que tiene una puerta enrollable 18.

Como se ha representado adicionalmente en la Figura 1, la sección de ensayo 20 comprende, por lo común, un bastidor de empuje 22 y un sistema de monorraíl 24 para el montaje del motor de turbina de gas 30. En esta célula de ensayo convencional, los gases de escape procedentes del motor de turbina de gas son expulsados al interior de un eyector que comprende un tubo aumentador 40, un difusor 41 y una rejilla de escape 42. El tubo aumentador puede estar encerrado dentro de una cámara conocida como envoltura 51 de aumentador. El tubo aumentador amortigua el flujo de gas de escape. Los gases de escape son entonces emitidos al interior del pabellón de escape 50 desde la rejilla de escape 42.

Durante el funcionamiento, el motor arrastra aire al interior de la sección de ensayo a través del pabellón de entrada y expulsa el flujo fuera de la sección de ensayo y al interior de una estructura tubular de gran diámetro a la que se hace referencia comúnmente como aumentador o tubo aumentador, que está conectado a un difusor o rejilla de escape. El flujo es dirigido desde el aumentador, el difusor y la rejilla al Interior de la base de un pabellón de escape orientado verticalmente, que evacúa a la atmósfera.

Las células de ensayo de motor de turbina de gas del tipo anteriormente descrito se diseñan para funcionar como una bomba, a fin de mantener el suficiente flujo de aire a través de la sección de ensayo para proporcionar una simulación y caudales de flujo apropiados, al tiempo que se minimizan el ruido y la vibración transmitidos al entorno circundante.

El problema del tratamiento del ruido para una célula de ensayo de motor de turbina de gas cae dentro de dos categorías definidas por dos regiones distintas del espectros de frecuencias sonoras: el Intervalo audible, del que se admite en general que se extiende desde aproximadamente 20 Hz hasta aproximadamente 20 kHz, y el Intervalo Inaudible ("Infrasonido"), que se encuentra a frecuencias relativamente bajas que van de unos pocos Hz a aproximadamente 50 Hz. Los dos intervalos de frecuencias presentan diferentes problemas y reservas y, por tanto, requieren diferentes soluciones.

La parte audible del espectro sonoro generado por la célula de ensayo corresponde a longitudes de onda que son pequeñas en relación con las dimensiones características de la celda de ensayo, y resulta principalmente de las ondas sonoras que se propagan desde el motor bajo ensayo, a través del sistema y hacia fuera, al entorno. Las soluciones aceptadas para el manejo de las ondas sonoras en las frecuencias audibles son Inmediatas e Implican, por lo común, el uso de deflectores acústicos en el pabellón de entrada y en el pabellón de escape, así como el uso de almohadillas acústicas. Se ha encontrado que tales deflectores y almohadillas son capaces de disipar las ondas sonoras en el Intervalo de las frecuencias audibles hasta una magnitud aceptablemente baja.

Los Infrasonidos, sin embargo, tienen lugar a longitudes de onda que son grandes en relación con las dimensiones características de la célula de ensayo y, por tanto, dan como resultado lo que se considera como patrones de ondas permanentes, en lugar de ruido de propagación. Si bien los Infrasonidos no son audibles y, por tanto, no presentan reservas fácilmente detectables para la población circundante, las longitudes de onda relativamente grandes de infrasonidos presentan su propio y conjunto de problemas y reservas específico. Por ejemplo, los edificios grandes y otras estructuras o partes de las mismas vibrarán o tenderán a vibrar a ciertas frecuencias naturales comprendidas en el intervalo de Infrasonidos. La reserva es que la exposición repetida a frecuencias de Infrasonidos a lo largo de un periodo de tiempo prolongado podría dar como resultado problemas estructurales. La reserva existe no solo por lo que respecta a edificios y otras estructuras existentes en el momento en que se Instala la célula de ensayo, sino en edificios y otras estructuras que pueden haberse erigido años más tarde a medida que se desarrolla la población y las empresas circundantes. Por otra parte, existen reservas relativas a la salud con respecto a estas vibraciones.

Aunque se conocen en la técnica una variedad de técnicas de atenuación del sonido, los infrasonidos siguen siendo problemáticos en los tubos aumentadores. Se conoce el desarrollo, dentro del tubo aumentador, de ruido de baja frecuencia de difícil tratamiento a medida que crecen dentro del tubo las corrientes parásitas turbulentas del chorro. Un problema adicional de los tubos aumentadores es garantizar que el tubo aumentador sea capaz de bombear la mínima cantidad requerida para satisfacer el caudal de flujo másico total de aire que se necesita para la cámara de ensayo.

Un desafío adicional por lo que respecta a las células de ensayo de motor de turbina de gas es su considerable tamaño. Debido a la longitud de los tubos aumentadores, los sistemas eyectores típicamente oscilan entre longitudes de 10 a 60 metros (de 30 a 190 pies). Se requiere un sistema eyector largo para adecuar la mezcla del flujo de aire y la ventilación de la célula de ensayo (paso en derivación de la célula de ensayo). Las células de ensayo convencionales, en consecuencia, ocupan, por lo común, una gran superficie en proyección, o huella, lo que significa que es, a menudo, difícil y caro adquirir el terreno para la construcción de una nueva célula de ensayo.

Aún otro problema adicional que se presenta con células de ensayo convencionales es que una instalación ya existente no puede ser fácilmente ampliada para dar acomodo al ensayo de motores más grandes y potentes. La ampliación de una Instalación ya existente requiere que el edificio sea remozado o extendido para dar acomodo a un sistema eyector más largo. Esto únicamente puede ser posible en el caso de que se disponga de terrenos aledaños.

A la vista de estos problemas y retos de la tecnología de la técnica anterior, sigue existiendo en la industria una necesidad manifiesta de una célula de ensayo de motor de turbina de gas mejorada, así como de un método mejorado para ensayar motores de turbina de gas.

El documento JP 10-010737 divulga una célula de ensayo de motor de reacción que se sirve de un escudo rotativo para redirigir de manera continua el gas de escape de un modo tal, que una porción concreta de un conducto de escape no se vea expuesta al gas de escape durante un periodo prolongado. Por otra parte, el documento DE 10048789 divulga un amortiguador sonoro de turbina de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Compendio

La presente invención proporciona un novedoso amortiguador sonoro de turbina para amortiguar el flujo de los gases de escape de un motor de turbina de gas (esto es, reducir los infrasonidos) y para recuperar energía cinética de estos gases de escape.

La presente invención también proporciona un método novedoso para amortiguar los gases de escape de un motor de turbina de gas y para recuperar energía cinética de los gases de escape. Además del aprovechamiento de una potencia que de otro modo se perdería, esta invención reduce los infrasonidos al amortiguar el flujo de manera más efectiva que un aumentador.

La presente invención proporciona, de manera adicional, una novedosa célula de ensayo que incorpora este amortiguador sonoro de turbina en lugar de un sistema eyector con tubo acoplador y rejilla de escape. El amortiguador sonoro de turbina no solo aprovecha la energía... [Seguir leyendo]

1.- Un amortiguador sonoro de turbina para recuperar energía cinética de los gases de escape emitidos por un motor de turbina de gas, al tiempo que también amortigua los gases de escape, de tal manera que el amortiguador sonoro comprende:

una entrada para recibir los gases de escape emitidos por el motor de turbina de gas;

un mecanismo de recuperación de energía cinética, que comprende una turbina destinada a convertir la energía cinética de los gases de escape en energía de rotación; y

una salida, a través de la cual los gases de escape reducidos en energía son emitidos tras haber sido reducida su energía por el mecanismo de recuperación de energía cinética, de tal manera que el amortiguador sonoro de turbina está caracterizado por que comprende

un ventilador de paso en derivación, accionado por la turbina, de tal modo que el ventilador de paso en derivación arrastra aire de paso en derivación al interior del amortiguador sonoro de turbina.

2.- El amortiguador sonoro de turbina de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el mecanismo de recuperación de energía cinética comprende un estator y un rotor para generar energía eléctrica.

3.- El amortiguador sonoro de turbina de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, de tal manera que el amortiguador sonoro de turbina está separado aguas abajo con respecto a un plano de salida de la tobera del motor de turbina de gas.

4.- Un método para recuperar energía cinética de los gases de escape emitidos desde un motor de turbina de gas, al tiempo que también se amortiguan los gases de escape, de modo que el método comprende:

montar de forma segura el motor de turbina de gas en un bastidor de empuje situado dentro de una sección de ensayo de una célula de ensayo de motor de turbina de gas;

instalar un amortiguador sonoro de turbina aguas debajo del motor de turbina de gas;

hacer funcionar el motor de turbina de gas a fin de producir gases de escape para accionar el amortiguador sonoro de turbina, al objeto de permitir, con ello, que el amortiguador sonoro de turbina recupere energía cinética de los gases de escape al tiempo que también amortigua los gases de escape para reducir los Infrasonidos;

arrastrar aire utilizando un ventilador de paso en derivación accionado por una turbina situada en el interior del amortiguador sonoro de turbina; y

extraer energía del amortiguador sonoro de turbina.

5.- El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual instalar el amortiguador sonoro de turbina comprende separar el amortiguador sonoro de turbina a una distancia de dos diámetros de tobera con respecto a un plano de salida de la tobera del motor de turbina de gas.

6.- El método de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual instalar el amortiguador sonoro de turbina comprende separar el amortiguador sonoro de turbina una distancia aguas abajo con respecto a un plano de salida de la tobera del motor de turbina de gas.

7.- Una célula de ensayo de motor de turbina de gas, capaz de recuperar energía cinética de los gases de escape emitidos por un motor de turbina de gas que se está ensayando, al tiempo que también se amortiguan los gases de escape, de tal manera que la célula de ensayo de motor de turbina de gas comprende:

una construcción de célula de ensayo, que tiene un pabellón de toma en un primer extremo de la construcción y un pabellón de escape en un segundo extremo de la construcción;

una sección de ensayo, que se extiende desde el pabellón de toma hasta el pabellón de escape;

un bastidor de empuje para el montaje del motor de turbina de gas dentro de la sección de ensayo; y

el amortiguador sonoro de turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, dispuesto aguas abajo del bastidor de empuje con el fin de extraer energía de los gases de escape del motor de turbina de gas cuando está en funcionamiento.

8.- La célula de ensayo de motor de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 7, en la cual el amortiguador sonoro de turbina extrae energía de los gases de escape y emite gases de energía reducida directamente al interior de una envoltura de amortiguador sonoro horizontal que conduce al pabellón de salida.

9.- La célula de ensayo de motor de turbina de gas de acuerdo con la reivindicación 7 o la reivindicación 8, en la

cual la sección de ensayo está separada del pabellón de escape por una pared que tiene una abertura diseñada para recibir de forma segura dicho amortiguador sonoro de turbina, por lo que los gases de escape procedentes del motor de turbina de gas deben pasar a través del amortiguador sonoro de turbina con el fin de ser evacuados a través del pabellón de escape.

10.- La célula de ensayo de motor de turbina de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en

la cual el amortiguador sonoro de turbina está dispuesto alejado a una distancia de dos diámetros de tobera con respecto a un plano de salida de tobera del motor de turbina de gas.

11.- La célula de ensayo de motor de turbina de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en la cual el amortiguador sonoro de turbina comprende un estator y un rotor para generar energía eléctrica, y una

turbina axial situada aguas abajo del estator para accionar un ventilador de paso en derivación que arrastra aire al interior del amortiguador sonoro de turbina.

12.- La célula de ensayo de motor de turbina de gas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, en la cual la dimensión horizontal de la envoltura del amortiguador sonoro y del pabellón de escape es menor que la longitud de la sección de ensayo.