ES2234500T3 - Turbinas para aparatos de propulsion a chorro marino. - Google Patents

Abstract

Una turbina para un aparato de propulsión a chorro marino que tiene una pluralidad de palas (44), teniendo cada pala (44) una porción de borde de ataque, la cual tiene una zona oblicua hacia delante que se extiende hacia dentro desde la punta exterior (56) a lo largo de no menos del 70% de la envergadura del borde de ataque (52) de la pala (44), caracterizada en que tanto el grosor máximo de las secciones de las palas como los radios del borde de ataque (52) de cada pala (44) aumentan progresivamente en una dirección desde la raíz hacia la punta en una porción de envergadura correspondiente a la zona oblicua hacia delante.

Description

Turbinas para aparatos de propulsión a chorro marino.

Antecedentes de la invención

Universalmente, los sistemas de propulsión a chorro marinos consisten en hileras rotatorias y estacionarias de palas. Las hileras rotatorias de palas se denominan turbinas. El propósito de las hileras rotatorias de palas es aumentar la energía total del agua que pasa a través el sistema de propulsión, la cual puede utilizarse para generar un empuje útil para propulsar la embarcación huésped por el agua. Las hileras estacionarias de palas se denominan difusores o álabes directores. Un propósito de las hileras estacionarias de palas, cuando están colocadas corriente abajo desde una hilera rotatoria de palas, consiste en recuperar la energía de flujo rotacional generada por la turbina que puede utilizarse para aumentar la capacidad del sistema de propulsión de producir un empuje útil para propulsar la embarcación huésped por el agua. Cuando la hilera estacionaria de palas está colocada corriente arriba desde una hilera rotatoria de palas, uno de sus propósitos consiste en mitigar las fluctuaciones a gran escala en la magnitud y dirección de la velocidad de flujo vistas por una hilera rotatoria de palas.

Las fluctuaciones en la magnitud y dirección de las velocidades de flujo pueden dar lugar a consecuencias perjudiciales para el rendimiento del sistema de propulsión. Concretamente, pueden hacer que aparezcan presiones fluctuantes sobre cualquiera de las hileras de palas activadas, sean rotatorias o estacionarias. Estas fluctuaciones típicamente provocan una disminución de la eficacia del sistema de propulsión, un aumento de la vibración y un aumento del ruido. En caso de fluctuaciones severas, las presiones superficiales resultantes sobre las hileras de palas pueden ser reducidas a niveles por debajo de la presión de vapor de agua, haciendo que el agua hierva. Ese fenómeno se denomina cavitación. Se forman burbujas de vapor de agua sobre las superficies de las palas, que pueden unirse para formar grandes cavidades que permanecen unidas a las palas o que pueden desprenderse de la superficie de las hileras de palas para desplazarse corriente abajo. Las cavidades y burbujas resultan perjudiciales para el rendimiento del sistema de propulsión de varias maneras.

Si el alcance de la cavitación en el sistema de propulsión es lo suficientemente grave, se produce un bloqueo del flujo de agua que pasa por el sistema, dando lugar a una avería por cavitación, o avería de empuje, en la que el empuje útil del sistema se reduce catastróficamente.

Cuando las cavidades o burbujas de vapor de agua se hacen camino hacia una zona del sistema donde las presiones en el campo de flujo están por encima de la presión de vapor de agua, se produce una rápida condensación del vapor de agua cuando la burbuja implosiona para regresar a un estado líquido. La acción de esa implosión es violenta, dando lugar a fluctuaciones de presión transitoria excesivas que son suficientemente fuertes como para dañar físicamente la estructura de los componentes del sistema de propulsión.

La implosión de las burbujas de vapor de agua provocará, como mínimo, suficientes fluctuaciones de volumen y de presión como para generar ruido. Además, estás fluctuaciones provocan una vibración de la estructura del sistema de propulsión así como de la estructura relacionada de la embarcación huésped. La vibración puede llevar a un fallo por fatiga de las estructuras, así como la irradiación por las mismas de ruido adicional tanto en la embarcación huésped como en el agua.

Los sistemas de propulsión a chorro anteriormente conocidos adolecen de manera universal de cavitación. En las instalaciones típicas de sistemas de propulsión a chorro las fluctuaciones en la magnitud y la dirección de las velocidades de flujo no pueden ser mitigadas de manera suficiente por medio práctico alguno sin limitar fuertemente el margen de funcionamiento de la embarcación huésped. Por encima de un margen de condiciones de funcionamiento de la embarcación, la cavitación es lo suficientemente grave como para dar lugar a un daño físico en el sistema de propulsión o, como mínimo, a un aumento considerable de la vibración y el ruido.

En el documento US 3,972,646 se describe una estructura de palas conforme al preámbulo de la reivindicación 1. Las palas de la estructura de palas conocida tiene una zona oblicua hacia delante en su borde de ataque y las palas en su conjunto son relativamente gruesas, con el fin de reducir la cavitación y el ruido asociado a ella. Es deseable, sin embargo, reducir aún más la cavitación, en concreto cerca del borde de ataque de una pala.

Resumen de la invención

Es por lo tanto el objeto de la presente invención proporcionar una turbina para un aparato de propulsión a chorro que reduce aún más la cavitación, en concreto cerca del borde de ataque de una pala. Otro objeto, que reviste especial interés para la investigación oceanográfica y para las embarcaciones de recreo y militares, consiste en ampliar el margen de funcionamiento de la embarcación en el que no están presentes el ruido y la vibración inducidos por la cavitación.

Los anteriores objetos se consiguen, de acuerdo con la presente invención, mediante una turbina para un aparato de propulsión a chorro conforme a la reivindicación 1. Dicha turbina comprende una pluralidad de palas, cada una de las cuales es considerablemente oblicua o torcida hacia delante, es decir, en una dirección opuesta a la del flujo de agua incidente corriente arriba, medido con relación a un sistema de coordinadas fijado sobre la pala y que gira con la misma. De esta forma, la punta de la pala dirige las porciones más internas del borde de ataque en la dirección de la rotación. La zona oblicua hacia delante se extiende hacia dentro desde la punta externa a lo largo de no menos del 70% de la envergadura del borde de ataque de la pala. De acuerdo con la invención, tanto el grosor máximo de las secciones de las palas como los radios del borde de ataque de cada pala aumentan progresivamente en una dirección desde la raíz hasta la punta en una porción de la envergadura correspondiente a la zona oblicua hacia delante. De esta forma es posible reducir la cavitación con respecto a los turbinas conocidas, en concreto cerca del borde de ataque de una pala. Además, el margen de funcionamiento de la embarcación en el que no están presentes el ruido y la vibración inducidos por la cavitación puede resultar ampliado de esta forma.

La presente invención puede aplicarse a un sistema de propulsión a chorro que tiene dos hileras de palas, una rotatoria y otra estacionaria. Dicho sistema, en consecuencia, tenga el tamaño que tenga, presenta una mayor resistencia a la aparición de la cavitación ocasionada por las fluctuaciones espaciales y temporales en las magnitudes y la dirección de la velocidad de flujo que los sistemas de propulsión a chorro anteriormente conocidos.

Se prefiere cuando el ángulo de oblicuidad proyectado medido entre una línea que atraviesa el centro de rotación y el punto de oblicuidad mínima del borde de ataque y una línea que atraviesa el punto de oblicuidad mínima del borde de ataque y el punto de oblicuidad máxima del borde de ataque (en la punta de la pala) es mayor de 35º, y preferiblemente mayor de 50º.

El borde de ataque de la pala próximo a la punta es típicamente el lugar donde antes aparece la cavitación, debido a la incidencia de las fluctuaciones en la velocidad de flujo corriente arriba. El efecto de la oblicuidad máxima hacia delante en la punta actúa para introducir reacciones de flujo tridimensionales que dan lugar a reducciones en las fluctuaciones de las presiones máximas en la superficie de las palas, las cuales hacen que se produzca la cavitación. Las reducciones en las fluctuaciones de las presiones máximas en la superficie de las palas también reducen las fluctuaciones en la carga de las palas y las vibraciones resultantes, y esto a su vez reduce una causa de daño estructural en los componentes del sistema de propulsión debido a la fatiga.

Resulta ventajoso introducir una oblicuidad hacia delante en las palas en el borde de ataque sin alterar correlativamente la forma del borde de salida. De esta forma, las longitudes de la cuerda de la pala se aumentan en al menos un 70% de la envergadura exterior de la pala, dando lugar a un aumento en la relación de área proyectada de la pala. Para una carga de pala dada, un aumento del área de la pala da lugar a una reducción de la magnitud de la presión inducida sobre un lateral de la pala. Se reduce de esta forma el riesgo de cavitación con la adición de fluctuaciones. En concreto, la relación de área proyectada de la pala es superior a 1,5, definiéndose la relación de área proyectada de la pala como el número de palas multiplicado por el área de la pala proyectada sobre un plano perpendicular al eje de rotación dividido entre el área del perfil proyectado de todas las palas sobre un plano perpendicular al eje de rotación. La relación de área de la pala proyectada relativamente grande da lugar a magnitudes de presión sobre la superficie de las palas globalmente inferiores en ausencia de fluctuaciones en la magnitud y la dirección de la velocidad de flujo. En presencia de estas fluctuaciones la tendencia de las fluctuaciones de presión máxima sobre la superficie de las palas a alcanzar la presión de vapor, y provocar de esta forma la cavitación, se reduce de forma proporcional.

La reducción de presión cerca del borde de ataque de una pala causante de la cavitación, que se ocasiona debido a fluctuaciones en la incidencia de la velocidad de flujo, resulta mitigada por el aumento del radio de proa de las secciones de las palas y por la oblicuidad o torcedura hacia delante del borde de ataque hacia la punta de la pala. La ventaja del radio de proa de la sección de la pala, sin embargo, queda limitada por el aumento en la reducción de presión del flujo medio en los "hombros" de las proas de las secciones. Además, dada una forma matriz geométrica de la sección de la pala, un aumento del radio de proa acarrea un aumento en el grosor de la sección de la pala, lo cual puede producir un bloqueo y una cavitación inaceptable en el flujo medio entre las palas.

Reduciendo la respuesta de presión a los cambios de incidencia de la fluctuación de velocidad, el borde de ataque de la pala oblicua hacia delante y hacia fuera compensa de forma más que suficiente los radios de proa inferiores a los deseados que el diseñador tiene a su alcance. Para una fluctuación de la incidencia, una presión ambiente y una velocidad dadas, el ángulo de oblicuidad del borde de ataque compensatorio es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del radio de proa de la sección.

Otra realización de la presente invención incluye una estructura circunferencial en banda de la punta que rodea las puntas de las palas de la turbina y que está fijada sobre las mismas, la cual sirve para impedir la cavitación en un espacio libre de una punta y ofrece una mayor integridad estructural al conjunto de turbina de palas. La banda de la punta puede ser parcial o total, es decir, puede extenderse sólo a lo largo de una parte o a lo largo de toda la longitud axial de las palas.

Descripción de los dibujos

Para una comprensión completa de la presente invención, y las ventajas de la misma, pueden consultarse la siguiente descripción escrita de realizaciones a modo de ejemplo, en conjunción con los dibujos que la acompañan.

La fig. 1 es una vista representativa esquemática de las piezas de un conjunto de sistema de propulsión a chorro marino, que incluye una realización de una turbina en la que se ha aplicado oblicuidad hacia delante al borde de ataque de cada pala de acuerdo con la presente invención;

La fig. 2 es una vista en sección lateral del conjunto de sistema de propulsión a chorro marino de la fig. 1, que lo muestra montado habiéndose tomado la vista a lo largo de las líneas 2-2 de la fig. 3;

La fig. 3 es una vista en alzado frontal del conjunto de las fig. 1 y 2;

La fig. 4 es una vista representativa de la turbina del conjunto de las fig. 1 a 3;

La fig. 5 es una vista en alzado frontal de la turbina de la fig. 4;

La fig. 6 es una vista en alzado lateral de la turbina de las fig. 4 y 5;

La fig. 7 es un diagrama de una de las palas de la turbina de las fig. 4 a 6, en la que las secciones de las palas están proyectadas sobre un plano perpendicular al eje de rotación de la turbina;

La fig. 8 es un diagrama que muestra el contorno periférico de una sola pala proyectada sobre un plano perpendicular al eje de rotación de la turbina; y

La fig. 9 es un diagrama que muestra los contornos combinados de las raíces y las puntas de todas las palas proyectadas sobre un plano perpendicular al eje de rotación de la turbina.

Descripción de la realización

Un sistema de propulsión a chorro marino 20 que utiliza una hilera estacionaria de palas y una hilera rotatoria de palas se muestra de manera generalmente esquemática en las fig. 1 a 3. La hilera rotatoria de palas o turbina 22 se utiliza en conjunción con la hilera estacionaria de palas o difusor 24 para impartir energía al flujo de agua que pasa por el sistema de propulsión, el cual puede ser utilizado para generar un empuje útil. Los demás componentes del sistema de propulsión a chorro marino representados, que incluyen una carcasa de turbina 26, un cono de cubo difusor 28 y una tobera de salida 30, se utilizan para contener y dirigir el flujo de agua a través del sistema de propulsión.

El flujo de agua entra en la carcasa de turbina 26 y la turbina 22 actúa sobre el mismo. La turbina 22 aumenta la energía del flujo de agua que pasa por el sistema de propulsión, la cual puede utilizarse para generar un empuje útil. Además, la turbina 22 imparte energía rotacional al flujo de agua, la cual no puede utilizarse para generar un empuje útil. El flujo continúa a través del sistema de propulsión hacia el difusor 24 donde la energía rotacional impartida por la turbina 22 puede ser transformada en energía la cual a su vez puede utilizarse para generar un empuje útil. El cono 28 y la tobera de salida 30 transforman conjuntamente la energía impartida al flujo de agua que pasa por el sistema de propulsión mediante la acción de la turbina y del difusor en un empuje útil.

La turbina 22 tiene un cubo 40, cuya forma se asemeja en cierto modo a la mitad de un balón y tiene un agujero axial 42 que recibe un eje motor (no mostrado), al que está unida la turbina. Seis palas de turbina idénticas, igualmente separadas circunferencialmente 44, se extienden en una hilera alrededor del cubo 40. Las puntas de las palas están en estrecho juego de funcionamiento con la superficie interna de la carcasa de turbina 26. Se aplica una oblicuidad hacia delante al borde de ataque de cada una de las seis palas 44 de la turbina 22, como se describe a continuación.

Aunque la realización de la turbina 22 mostrada en los dibujos y descrita en el presente documento es un tipo de turbina de flujo mixto, la presente invención puede aplicarse a muchos diseños diferentes de turbinas, incluyendo las de tipo inductor, las de tipo axial y las de tipo centrífugo, y a turbinas con números de palas diversos.

La fig. 7 muestra una única pala de turbina 44 gráficamente. Las veinte curvas de línea doble C1, C2, etc. constituyen proyecciones sobre un plano perpendicular al eje A de la turbina 22 de las secciones de las palas formadas por las intersecciones de la pala por veinte superficies de corte imaginarias de doble curva y separadas a la misma distancia, cada una de las cuales se genera girando una línea de flujo de la trayectoria de agua que pasa por el conducto entre la superficie externa del cubo 40 y la superficie interna de la carcasa de turbina 26 alrededor del eje A. La sección de raíz de la pala C1 y la sección de punta de la pala C20 representan la longitud de la pala en la dirección del sentido de la envergadura, mientras que la periferia del borde de ataque 52 y la periferia del borde de salida 54 representan la longitud de la pala en la dirección del sentido de la cuerda. La línea de oblicuidad mínima proyectada SL_{min} se traza atravesando el eje de rotación A de la turbina y el punto de oblicuidad mínima proyectada SP_{min}. La línea de oblicuidad máxima proyectada SL_{máx}se traza atravesando el punto de oblicuidad mínima proyectada SP_{min}y el punto de la punta del borde de ataque 56. El ángulo de oblicuidad proyectada á entre la línea de oblicuidad máxima proyectada SL_{máx}y la línea de oblicuidad mínima proyectada SL_{min}es mayor de 35º y, preferiblemente, mayor de 50º. La oblicuidad hacia delante se mantiene a lo largo de la porción de borde de ataque de la pala entre el punto de la punta del borde de ataque 56 y el punto de oblicuidad mínima proyectada SP_{min}, disminuyendo la cantidad de oblicuidad progresivamente desde el punto 56 a lo largo de esa porción. El punto de oblicuidad mínima proyectada SP_{min} está situado a una distancia desde la punta que no es inferior al 70% de la envergadura proyectada de la pala.

La fig. 8 representa una proyección ortogonal verdadera del área delimitada por la periferia de una única pala de turbina 44 sobre un plano perpendicular al eje de rotación A. La fig. 9 representa una proyección ortogonal verdadera del área delimitada por la periferia combinada de las seis palas 44 de la turbina 26 sobre un plano perpendicular al eje de rotación A. La relación de área proyectada de la pala, la cual se calcula multiplicando el número de palas de la turbina por el área proyectada de una única pala (fig. 8) y dividiéndolo entre el área delimitada por la periferia combinada de las seis palas (fig. 9), es mayor de 1,5.

Claims (9)

1. Una turbina para un aparato de propulsión a chorro marino que tiene una pluralidad de palas (44), teniendo cada pala (44) una porción de borde de ataque, la cual tiene una zona oblicua hacia delante que se extiende hacia dentro desde la punta exterior (56) a lo largo de no menos del 70% de la envergadura del borde de ataque (52) de la pala (44), caracterizada en que tanto el grosor máximo de las secciones de las palas como los radios del borde de ataque (52) de cada pala (44) aumentan progresivamente en una dirección desde la raíz hacia la punta en una porción de envergadura correspondiente a la zona oblicua hacia delante.

2. La turbina tal y como se reivindica en la reivindicación 1 y que se caracteriza además en que la oblicuidad de la zona oblicua hacia delante de cada pala (44) es mayor en la punta exterior (56), la cual presenta una oblicuidad de no menos de 35º.

3. La turbina tal y como se reivindica en la reivindicación 1 y que se caracteriza además en que la oblicuidad de la zona oblicua hacia delante de cada pala (44) es mayor en la punta exterior (56), la cual presenta una oblicuidad de no menos de 50º.

4. La turbina tal y como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 y que se caracteriza además en que las longitudes de línea de cada pala (44) aumentan progresivamente en una dirección desde la raíz hacia la punta en una porción de la envergadura correspondiente a la zona oblicua hacia delante, extendiéndose las secciones de las palas (44) para acomodar la oblicuidad del borde de ataque.

5. La turbina tal y como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 y que se caracteriza además en que la relación de área proyectada de la pala no es inferior a 1,5.

6. La turbina tal y como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 y que se caracteriza además en que tanto el grosor máximo de las secciones de pala de cada pala como los radios de borde de ataque de cada pala aumentan ambos progresivamente a lo largo de no menos del 70% del exterior de la envergadura en una dirección desde la raíz hacia la punta.

7. La turbina tal y como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 y que se caracteriza además en que una banda circunferencial de punta está unida a al menos porciones de las puntas de las palas.

8. La turbina tal y como se reivindica en la reivindicación 7 y que se caracteriza además en que la banda de punta se extiende a lo largo de sólo una parte de la longitud axial de las palas.

9. La turbina tal y como se reivindica en la reivindicación 7 o en la reivindicación 8 y que se caracteriza además en que la banda de punta se extiende a lo largo de la totalidad de la longitud axial de las palas.