ES2172439B2 - Alabe movil de turbina. - Google Patents
Alabe movil de turbina.Info
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Abstract
Alabe móvil de turbina. Si el ángulo que define una tangente a la parte de la superficie dorsal en el borde delantero del álabe móvil con una recta perpendicular al árbol giratorio de la turbina se designa con {ze} y el ángulo de salida geométrica del álabe fijo se designa con {al}{sub,N}, {ze} cumple la relación: {al}{sub,N}+2º<{ze}<{al}{sub,N}+12º. Como resultado de ello, la forma de la parte de la superficie dorsal, en el borde delantero y en una parte contigua al mismo, del álabe móvil no es paralela a la estela del álabe fijo. Aplicable para que el álabe móvil contribuya a aumentar el rendimiento de la turbina, al tiempo que a suprimir un brusco aumento irregular de la velocidad de flujo.
Description
Álabe móvil de turbina.
1. Campo de la invención
Esta invención se refiere a un álabe móvil de
turbina y, más particularmente, a un álabe útil cuando se aplica a
una turbina de impulso de flujo axial.
2. Descripción de la técnica
pertinente
La fig. 5 es una vista esquemática que muestra
álabes móviles, junto con álabes fijos, de una turbina de impulso de
flujo axial según una tecnología anterior. Como se muestra en el
dibujo, una pluralidad de álabes móviles 1 están dispuestos en una
dirección circunferencial de un rotor (no ilustrado). Una pluralidad
de álabes fijos 2 están fijados a una carcasa (no ilustrada) de la
turbina de impulso de flujo axial. Los álabes fijos 2 actúan como
toberas para suministrar un fluido (por ejemplo vapor de agua) a
alta velocidad y a alta presión a los álabes móviles 1.
Un análisis de la velocidad de flujo en este tipo
de turbina de impulso de flujo axial ha demostrado ahora que se
produce un importante fenómeno. Con este tipo de turbina, el
conocimiento convencional ha sido que se forma una zona de baja
velocidad de flujo y que se extiende en forma de banda, denominada
estela 3 (parte punteada del dibujo), detrás del borde trasero 2a
del álabe fijo 2. Se ha hallado recientemente que, cuándo la turbina
gira, cada vez que el álabe móvil 1 corta la estela 3 de un álabe
fijo, se produce una zona 4 (rayada en el dibujo) de alta velocidad
de fluido que se acelera bruscamente en la parte 1a de la superficie
dorsal del álabe móvil 1. El mecanismo de formación de esta zona
puede ser el siguiente: La estela 3 del álabe fijo actúa como una
verdadera pared contra la corriente principal que tiene una alta
velocidad de flujo. En consecuencia, a medida que el álabe móvil 1
se acerca a la estela 3 del álabe fijo, según el movimiento de giro
(el sentido del movimiento de giro se indica por medio de la flecha
A en el dibujo) del álabe móvil 1, se forma efectivamente una
garganta de paso entre la estela 3 del álabe fijo y el álabe móvil
1. Como resultado de ello, la zona 4 de alta velocidad de fluido que
se acelera bruscamente se produce, con el paso del tiempo, en la
parte 1a de superficie dorsal del álabe móvil 1. Tal estela 3 del
álabe fijo se forma detrás de cada uno de los álabes fijos 2 y la
zona 4 de alta velocidad se forma también en correspondencia con
cada estela 3 de los álabes fijos. Sin embargo, en el dibujo sólo se
ilustran, como representativas, una estela 3 de álabe fijo y una
zona 4 de alta velocidad.
Cuando la zona 4 de velocidad irregularmente alta
descrita anteriormente, en la cual la velocidad de flujo aumenta
bruscamente, en el momento del acercamiento a la estela 3 del álabe
fijo, se forma en la parte 1a de la superficie dorsal del álabe
móvil 1, la pérdida del rendimiento de la turbina en este punto es
elevada. Ello es debido a que si la pared queda en el paso del
fluido aparece una fricción correspondiente a la diferencia de la
velocidad de flujo entre la zona de alta velocidad y la zona de baja
velocidad, y la energía cinética del fluido se convierte en calor
debido a esta fricción. Es decir: se produce una pérdida total de
presión. Así, disminuye el rendimiento de la turbina.
La presente invención se ha conseguido teniendo
en cuenta los anteriores problemas de la tecnología anterior. El
objetivo de la invención es proporcionar un álabe móvil que pueda
contribuir a aumentar el rendimiento de una turbina al tiempo que a
suprimir un brusco aumento irregular de la velocidad de flujo.
Para alcanzar el anterior objetivo, los
inventores investigaron las condiciones de formación de una zona 4
de velocidad marcadamente alta y hallaron lo siguiente: La forma de
la estela 3 del álabe fijo 2 está simplemente determinada por la
forma de éste. Por otra parte, el álabe móvil 1 se configura a
partir del aspecto de que se asegura una distribución uniforme de la
velocidad de flujo en una franja que va desde el borde delantero 1b
al borde trasero 1d del álabe móvil 1, en base al ángulo de salida
del fluido que fluye del álabe fijo 2. Desde este aspecto, se
determinan el ángulo aproximado de entrada y las formas aproximadas
de la parte 1a de la superficie dorsal y de la parte 1c de la
superficie ventral. Como resultado de ello, con el álabe móvil 1
según la tecnología anterior, la parte 1a de la superficie dorsal en
el punto del borde delantero 1b del álabe móvil 1 se configura de
modo que sea paralela a la estela 3 del álabe fijo. Esta
configuración de la parte 1a de la superficie dorsal del álabe móvil
1, de modo que sea paralela a la estela 3 del álabe fijo, puede ser
la principal causa del aumento irregular y brusco de la velocidad de
flujo. Cuando la parte 1a de la superficie dorsal se configura de
modo que sea paralela a la estela 3 del álabe fijo, la garganta del
paso se forma, principalmente, entre la estela 3 del álabe fijo y la
parte 1a de la superficie dorsal del álabe móvil 1.
Las peculiaridades de la presente invención,
basada en los anteriores hallazgos, se caracterizan por los
siguientes aspectos 1) a 5):
1) Un álabe móvil de una turbina que tiene una
pluralidad de álabes móviles dispuestos en una dirección
circunferencial de un rotor, siendo accionado el álabe móvil por un
fluido y teniendo la turbina álabes fijos a modo de álabes
inmóviles, para transmitir un par de giro al rotor, caracterizado
porque:
la forma de una parte de la superficie dorsal, en
un borde delantero y en una parte contigua al mismo, del álabe móvil
es una forma achaflanada, de modo que no sea paralela a la estela
del álabe fijo.
Según el anterior aspecto de la invención, la
forma de la parte de la superficie dorsal en el borde delantero del
álabe móvil puede desplazarse respecto a la estela del álabe fijo.
Así, se hace posible ensanchar el pasa formado entre la parte de la
superficie dorsal en el borde delantero del álabe móvil y la estela
del álabe fijo cuando el álabe móvil corta la estela del álabe fijo
durante su movimiento de giro. Por lo tanto, puede suprimirse el
aumenta irregular de la velocidad de flujo en. la parte de la
superficie dorsal. En consecuencia, aunque el álabe móvil corte
periódicamente la estela del álabe fija de conformidad con el
movimiento del álabe móvil, se hace posible eliminar una zona
parcial de alta velocidad de la velocidad de flujo, eliminar la
total pérdida de presión en este punto y contribuir a aumentar el
rendimiento de la turbina.
2) En el álabe móvil descrito en el anterior
aspecto 1), si el ángulo que una tangente a la parte de la
superficie dorsal en el borde delantero del álabe móvil define con
una recta perpendicular al árbol giratorio de la turbina se designa
con \theta y el ángulo de salida geométrica del álabe fijo se
designa con \alpha_{N}, \theta cumple la siguiente
relación:
3) En el álabe móvil descrito en los anteriores
aspectos 1) o 2), si el grosor máximo del álabe móvil se designa con
T_{max} y la anchura del álabe, que es la distancia entre el borde
delantero y el borde trasero del álabe móvil, se designa con W,
T_{max}/W cumple la siguiente relación:
4) En el álabe móvil descrito en los anteriores
aspectos 1) o 2), si el ángulo que define una tangente a una parte
de la superficie ventral en el borde delantero del álabe móvil con
una tangente a la parte de la superficie dorsal se designa con
\beta_{inc}, \beta_{inc} cumple la siguiente relación:
5) En el álabe móvil descrito en los anteriores
aspectos 1) o 2), si el grosor máximo del álabe móvil se designa con
T_{max} y la anchura del álabe, que es la distancia entre el borde
delantero y el borde trasero del álabe móvil, se designa con W,
T_{max}/W cumple la siguiente relación:
La presente invención se comprenderá más
completamente a partir de la descripción detallada dada en lo que
sigue y de los dibujos anexos que se dan sólo a título de
ilustración y que, por lo tanto, no son limitativos de la presente
invención y en los cuales:
Las figs. 1(a) a 1(c) son vistas
correspondientes a una realización de la presente invención, en las
cuales la fig. 1(a) es una vista esquemática que muestra un
álabe móvil, la fig. 1(b) es una vista explicativa que
muestra conceptualmente un ángulo de salida geométrica de un álabe
fijo y la fig. 1(c) es una vista parcial que muestra, de
manera esquemática, la parte del borde delantero del álabe
móvil;
La fig. 2 es una vista esquemática que muestra
las formas (en líneas continuas) de dos álabes móviles según la
realización de la presente invención, en comparación con las formas
(en líneas de trazos) de dos álabes móviles según una tecnología
anterior;
La fig. 3 es una vista de características que
muestra las características (en líneas continuas) de distribución de
la velocidad de flujo por las superficies del álabe móvil según la
realización de la presente invención, en comparación con las
características (en líneas de trazos) de distribución de la
velocidad de flujo por las superficies del álabe móvil según la
tecnología anterior; en la fig. 3, las ordenadas designan la
relación Velocidad de flujo por la superficie del álabe/Flujo de
salida en cascada;
La fig. 4 es una vista de características que
muestra el rendimiento de temperatura (en línea continua) de una
turbina que tiene el álabe móvil según la realización de la presente
invención, en comparación con el rendimiento de temperatura (en
línea de trazos) de una turbina que tiene el álabe móvil según la
tecnología anterior; en la fig. 4, A designa Rendimiento de
temperatura de la turbina (valor analizado, %), B designa Técnica
anterior, C designa Invención y D designa un período; y
La fig. 5 es una vista esquemática que muestra
álabes móviles, junto con álabes fijos, de una turbina de impulso de
flujo axial según la tecnología anterior.
Una realización de la presente invención se
describirá ahora con referencia a los dibujos anexos, pero debe
entenderse que la invención no queda limitada por ello.
La realización se refiere a las disposiciones que
se adoptan para la forma de una parte de la superficie dorsal de un
álabe móvil con respecto a la estela de un álabe fijo. El problema
es el ángulo del álabe móvil que debe adoptarse en respuesta al
ángulo de la estela del álabe fijo. Así, se ha definido el ángulo
\alpha_{N} de salida geométrica como parámetro correspondiente al
ángulo de salida de un álabe fijo y, en relación con este ángulo
\alpha_{N} de salida geométrica, se ha especificado una forma
preferida del álabe móvil. El álabe fijo 2 es igual que el de la
tecnología anterior mostrada en la fig. 5. La presente realización
se explicará como un álabe móvil combinado con tal álabe fijo 2.
Las figs. 1(a) a 1(c) son vistas
correspondientes a la realización de la presente invención, en las
cuales la fig. 1(a) es una vista esquemática que muestra un
álabe móvil, la fig. 1(b) es una vista explicativa que
muestra conceptualmente un ángulo de salida geométrica de un álabe
fijo y la fig. 1(c) es una vista parcial que muestra, de
manera esquemática, la parte del borde delantero del álabe
móvil.
En la fig. 1(a), el número 11 de
referencia indica un álabe móvil, 11a una parte de la superficie
dorsal, 11b un borde delantero, 11c una parte de la superficie
ventral y 11d un borde trasero. Una pluralidad de tales álabes
móviles 11 están dispuestos en una relación de posición como se
muestra en la fig. 5; es decir: están dispuestos en una dirección
circunferencia) de un rotor (no ilustrado) y frente a álabes fijos
2. Así, se hace que un fluido que procede de entre los álabes fijos
2 actúe sobre los álabes móviles 11, transmitiendo un par de giro al
rotor. Si el ángulo que define una tangente L_{1} a la parte 11a
de la superficie dorsal del álabe móvil 11 en el borde delantero 11b
del álabe móvil 11 con una recta L_{2} perpendicular al árbol
giratorio de la turbina se designa con \theta y el ángulo de
salida geométrica del álabe fijo 2 se designa con \alpha_{N},
\theta queda en la franja definida por la siguiente Expresión
(1):
El límite superior del ángulo \theta impuesto
por la limitación numérica antes mencionada se determina teniendo en
cuenta los siguientes factores: Cuando el ángulo \alpha_{N} de
salida geométrica del álabe fijo 2 está determinado, está también
determinada la forma preferida de la parte, del borde delantero 11 b
del álabe móvil 11 que le corresponde. Esta forma preferida viene
dada como teniendo la suma de un ángulo \theta' y el mencionado
ángulo \theta, siendo \theta' el ángulo que define una tangente
L_{3} ala parte 11c de la superficie ventral del álabe móvil 11 en
el borde delantero 11b del álabe móvil 11 con una recta L_{2}
perpendicular al árbol giratorio de la turbina. Así, cuando se ha
fijado el ángulo \theta, se determina el ángulo \theta' dentro
del marco de la suma del ángulo \theta' y del ángulo \theta.
Esto es: no puede sobrepasarse el ángulo correspondiente a esta
suma.
Por medio de la limitación del ángulo \theta
como se ha indicado anteriormente, la forma de la parte 11a de la
superficie dorsal en el borde delantero 11b del álabe móvil 11 puede
desplazarse desde la estela 3 (véase la fig. 5; se mantendrá igual
en las descripciones que seguirán) del álabe fijo. En otras
palabras: la forma de la parte 11a de la superficie dorsal y la
estela 3 del álabe fijo ya no son paralelas, de modo que se hace
posible ensanchar el paso formado entre la parte 11a de la
superficie dorsal en el borde delantero 11b del álabe móvil 11 y la
estela 3 del álabe fijo cuando el álabe móvil 11 corta la estela 3
del álabe fijo en su movimiento de giro. Por lo tanto, puede
suprimirse un aumento irregular de la velocidad de flujo en la
superficie dorsal.
La fig. 2 es una vista esquemática que muestra
las formas (en líneas continuas) de los álabes móviles 11 según la
realización antes descrita de la presente invención, en comparación
con las formas (en líneas de trazos) de los álabes móviles 1 según
la tecnología anterior mostrada en la fig. 5. Como resultará claro
haciendo referencia al dibujo, el álabe móvil 11 según esta
realización toma una forma constituida por achaflanado de la parte
1a de la superficie dorsal junto al borde delantero 1b del álabe
móvil 1 de la tecnología anterior (véase la fig. 5; se mantendrá
igual en las descripciones que seguirán). Como resultado de ello, la
forma de la parte 11a de la superficie dorsal puede desplazarse
respecto a la dirección de la estela del álabe fijo.
Incidentalmente, con el álabe móvil 1 según la tecnología anterior
el ángulo \theta está formado de modo que sea aproximadamente
igual que el ángulo \alpha_{N} de salida geométrica del álabe fijo
2. Por lo menos es cierto que el ángulo \theta no excede de
(\alpha_{N} + 2º).
Debido a la anterior limitación numérica del
ángulo \theta, la forma de la parte 11a de la superficie dorsal
del álabe móvil 11 puede desplazarse desde la estela 3 del álabe
fijo, en vez de ser paralela a la misma. En la presente realización
se adopta la siguiente limitación numérica adicional:
Las circunferencias indicadas por líneas
encadenadas con dos trazos, que están inscritas en la forma del
álabe móvil 11 mostrado en la fig. 1(a), tienen diámetros que
representan los grosores del álabe móvil 11 en el punto en cuestión.
Si el grosor máximo del álabe móvil 11 se designa con T_{max} y la
anchura del álabe, que es la distancia entre el borde delantero 11b
y el borde trasero 11d del álabe móvil 11, se designa con W, la
relación T_{max}/W está prevista para que cumpla la relación 0,33
< T_{max}/W < 0,42, preferentemente 0,34 < T_{max}/W
< 0,38. Debido a esta previsión, la forma del álabe móvil 11 es
de pared delgada. Así, se ensancha el paso entre los álabes móviles
contiguos 11, por lo que puede hacerse disminuir, en este punto, la
velocidad media de flujo. Incidentalmente, la relación T_{max}/W
del álabe móvil 1 según la tecnología anterior excede de 0,42.
En la presente realización, se adopta la
siguiente limitación numérica adicional: Como se muestra en la fig.
1(c), si el ángulo que define una tangente L4 a la parte 11a
de la superficie dorsal en el borde delantero 11b del álabe móvil 11
con una tangente L5 a la parte 11c de la superficie ventral se
designa con \beta_{inc}, se dispone que \beta_{inc} cumpla la
relación 13º < \beta_{inc} < 27º. Debido a esta disposición,
el álabe móvil 11 tiene un pequeño grosor en la proximidad del borde
delantero 11b, en donde la velocidad de flujo está particularmente
aumentada por la estela 3 del álabe fijo. Así, se ensancha el paso
entre los álabes móviles contiguos 11, por lo que puede hacerse
disminuir, en este punto, la velocidad media de flujo.
Incidentalmente, el ángulo \beta_{inc} del álabe móvil 1 según la
tecnología anterior excede de 27º.
Se han determinado los valores del límite
inferior de la relación T_{max}/W y del ángulo \beta_{inc} para
obtener un grosor predeterminado del álabe, debido a que el grosor
del álabe móvil 11 está limitado por las condiciones de formar una
distribución uniforme de la velocidad de flujo en el trayecto desde
el borde delantero 11b al borde trasero 11d del álabe móvil 11.
En la turbina que tiene el álabe móvil 11 según
la presente realización descrita anteriormente, la forma de la parte
11a de la superficie dorsal del álabe móvil 11 no es paralela a la
estela 3 del álabe fijo. Así, aunque el álabe móvil 11 corta la
estela 3 del álabe fijo de conformidad con el movimiento de giro del
álabe móvil 11, puede garantizarse un paso relativamente grande
entre la estela 3 del álabe fijo y el álabe móvil 11. Por lo tanto,
no se forma, en esta zona del paso, la zona 4 (véase la fig. 5) de
alta velocidad de una velocidad de flujo bruscamente acelerada.
Además, la relación T_{max}/W y el ángulo \beta_{inc} se han
optimizado para disminuir la velocidad media de flujo entre los
álabes móviles contiguos 11. También desde este aspecto, puede
impedirse que se produzca la zona 4 de alta velocidad.
La fig. 3 es una vista de características que
muestra las características (en líneas continuas) de distribución de
la velocidad de flujo por las superficies del álabe móvil 11 según
la anterior realización, en comparación con las características (en
líneas de trazos) de distribución de la velocidad de flujo por las
superficies del álabe móvil según la tecnología anterior. La fig. 4
es una vista de características que muestra el rendimiento de
temperatura (en línea continua) de la turbina que tiene el álabe
móvil 11 según la realización antes expuesta, en comparación con el
rendimiento de temperatura (en línea de trazos) de la turbina que
tiene el álabe móvil según la tecnología anterior. Con referencia a
la fig. 3, se observará que se produce una marcada disminución de la
velocidad de flujo en la parte 11a de la superficie dorsal en la
proximidad del borde delantero 11b del álabe móvil 11. Con
referencia a la fig. 4, el rendimiento de la turbina aumenta en
todos los instantes de un período, y el rendimiento medio de un
período aumenta, sin duda, marcadamente. En la fig. 4, ``un
período'' indica el tiempo desde el momento en que un álabe móvil 11
corta una estela 3 de un álabe fijo hasta el momento en que un álabe
móvil siguiente 11 corta una estela siguiente 3 de un álabe fijo. En
las figs. 3 y 4, las especificaciones son como sigue: ángulo
\theta = 21,9º, relación T_{max}/W = 0,38 y ángulo
\beta_{inc} = 24,3º.
El álabe móvil 11 de la realización anteriormente
descrita se ha explicado como un álabe móvil de una turbina de
impulso, pero no se está limitado a ello. Sin embargo, el álabe
móvil será particularmente útil si se aplica a una turbina de
impulso que tenga un pequeño ángulo de entrada y que tenga una parte
de superficie dorsal cuya forma tienda a ser paralela a una estela
de álabe fijo.
Si bien la presente invención se ha descrito de
la manera que precede, debe entenderse que la invención no está
limitada por ésta, sino que puede variarse según muchas otras
formas. Tales variaciones no deben considerarse fuera del espíritu
ni del alcance de la invención y todas las aludidas modificaciones
que podrían resultar obvias para un entendido en la técnica deben
considerarse incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones
anexas.
Claims (4)
1. Álabe móvil de una turbina que tiene una
pluralidad de álabes móviles dispuestos en una dirección
circunferencial de un rotor, siendo accionado el álabe móvil por un
fluido y teniendo la turbina álabes fijos a modo de álabes
inmóviles, para transmitir un par de giro al rotor,
caracterizado porque:
la curva de la superficie dorsal está definida de
modo que dicha curva y la estela del álabe fijo no sean paralelas
adyacentes a un punto de contacto entre el círculo o la elipse del
borde delantero y la curva de la superficie dorsal,
y
porque
el ángulo que define una tangente a la parte de
la superficie dorsal en el borde delantero del álabe móvil con una
recta perpendicular al árbol giratorio de la turbina, se designa
con \theta, y un ángulo de salida geométrica del álabe fijo se
designa con \alpha_N, donde \alpha_N =
sen^{-1}(\delta_N/C_N) y donde, \delta_N es la
anchura de la garganta de los álabes fijos, que es la distancia
desde un borde trasero de un álabe fijo a la superficie dorsal de un
álabe fijo contiguo y C_N es el paso del álabe fijo y es la
distancia entre los álabes fijos contiguos, y \theta está
relacionado con \alpha_N según la siguiente relación:
\alpha_N + 2° < \theta < \alpha_N +
12°.
2. Álabe móvil según la reivindicación 1,
caracterizado porque:
si el grosor máximo del álabe móvil se designa
con T_{max} y la anchura del álabe, que es una distancia entre el
borde delantero y el borde trasero del álabe móvil, se designa con
W, T_{max}/W cumple la siguiente relación: 0,33 < T_{max}/W
< 0,42.
3. Álabe móvil según la reivindicación 1,
caracterizado porque:
si el ángulo que define una tangente a una parte
de la superficie ventral en el borde delantero del álabe móvil con
la tangente a la parte de la superficie dorsal se designa con
\beta_{inc}, \beta_{inc} cumple la siguiente relación: 13° <
\beta_{inc} < 27°.
4. Álabe móvil según la reivindicación 1,
caracterizado porque:
si el grosor máximo de álabe del álabe móvil se
designa con T_{max} y la anchura de álabe, que es una distancia
entre el borde delantero y un borde trasero del álabe móvil, se
designa con W, T_{max}/W cumple la siguiente relación: 0,33 <
T_{max}/W < 0,42,
si el ángulo que define una tangente a una parte
de la superficie ventral en el borde delantero del álabe móvil con
la tangente a la parte de la superficie dorsal se designa con
\beta_{inc}, \beta_{inc} cumple la siguiente relación: 13°
< \beta_{inc} < 27°.
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