ES2269615T3 - Extremidad de alabe con reborde en rampa. - Google Patents

Abstract

Un álabe de motor de turbina de gas (10) que comprende: una superficie aerodinámica (14) que posee unos lados opuestos de presión y de succión (18, 20) que se extienden en el sentido de la cuerda entre los bordes de ataque y de fuga (22, 24) y en el sentido de la envergadura entre una raíz (26) y una punta (28); un suelo de la punta (38) que conecta dichos lados de presión y de succión, y que incluye un primer y un segundo nervio (40, 42) que se extienden a lo largo del mismo para definir una cámara impelente de la punta (44) entre los mismos, caracterizado porque dicho primer nervio (40) está rebajado en dicho lado de presión para definir un reborde de la punta (46) en el mismo, y dicho reborde de la punta termina delante de dicho borde de fuga (24) en una rampa (48) inclinada hacia fuera y hacia dicha punta de la superficie aerodinámica.

Description

Extremidad de álabe con reborde en rampa.

La invención se refiere generalmente a motores de turbina de gas, y, más específicamente, a la refrigeración de los álabes de turbina del mismo.

En un motor de turbina de gas, el aire se presuriza en un compresor y se mezcla con combustible en una cámara de combustión para generar gases de combustión calientes que fluyen corriente abajo a través de las etapas de la turbina que extraen la energía de los mismos. Una turbina de alta presión alimenta el compresor, y una turbina de baja presión alimenta un ventilador corriente arriba en una forma de realización de un motor de turboventilador para aeronaves.

Los álabes de la primera etapa de la turbina reciben primero los gases de combustión calientes desde la cámara de combustión y se refrigeran típicamente con aire usando aire extraído del compresor. La refrigeración de los álabes de turbina resulta bastante complicada y la técnica está llena de referencias en vista de la compleja naturaleza de la refrigeración de álabes.

Un álabe de turbina típico incluye generalmente un lado de presión cóncavo y un lado de succión opuesto y generalmente convexo que se extiende de forma axial o cordal entre los bordes de ataque y de fuga que se extienden radialmente en envergadura desde la raíz hasta la punta del álabe. La parte de la superficie aerodinámica del álabe es hueca y se extiende radialmente hacia fuera desde un soporte en cola de milano que monta el álabe en un disco rotor de soporte.

El aire de refrigeración se canaliza hasta cada álabe a través de la cola de milano y dentro de la superficie aerodinámica hay formados diversos conductos internos para adaptar la refrigeración de la misma con el fin de mitigar las diversas cargas caloríficas experimentadas alrededor del exterior de la superficie aerodinámica.

El extremo radialmente externo, o punta, de la superficie aerodinámica resulta particularmente difícil de refrigerar debido a que se encuentra expuesto a los gases de combustión calientes a lo largo de los lados de presión y de succión de la superficie aerodinámica así como en el huelgo o hueco radial formado con la carcasa o carenado del estátor que la rodea. Debido a que los álabes de la turbina están sometidos a ocasionales roces de la punta, la punta de la superficie aerodinámica está formada típicamente por unas extensiones en forma de nervios sonoros de los lados de presión y succión que se unen en los bordes de ataque y de fuga y definen una cámara impelente abierta de la punta entre los mismos que posee un suelo que encierra los conductos internos de la superficie aerodinámica.

La patente de EE.UU. 5.261.789, en la que se describe el uso de un reborde de la punta a lo largo del lado de presión del álabe de turbina, constituye un avance considerable en la refrigeración de las puntas de los álabes. Se lleva aire de refrigeración al reborde de la punta a través de unos orificios formados a través del mismo y se interrumpe el flujo de los gases de combustión a lo largo del lado de presión de la punta del álabe. Se obtiene una mejor refrigeración de la punta del álabe, incluido el nervio de la punta del lado de presión.

El perfil típico de un álabe de turbina es el de una media luna en la que el álabe aumenta de anchura detrás del borde de ataque y después converge y disminuye de anchura hacia el estrecho borde de fuga de la misma. El comportamiento aerodinámico deseado del álabe controla el perfil aerodinámico de los lados de presión y succión y da lugar típicamente a unas zonas del borde de fuga del álabe relativamente delgadas.

Debido a que el reborde de la punta descrito anteriormente está rebajado en el lado de presión del álabe de turbina, el álabe debe tener un grosor suficiente cerca del borde de fuga en el que puede formarse el reborde.

Sin embargo, en los álabes de turbina que poseen unas zonas del borde de fuga relativamente delgadas, hay una anchura insuficiente en la que pueda formarse el reborde de la punta y que a la vez posea la fuerza suficiente para una vida útil prolongada del álabe. En tales configuraciones, el reborde de la punta puede terminar delante del borde de fuga e introducirse en el álabe, donde lo permita el espacio. La terminación del reborde de la punta de esta manera formará una cara vertical en la que el reborde de la punta se mezcla con el lado de presión, teniendo el límite del reborde de la punta unas líneas horizontales y verticales cruzándose en una esquina trasera.

Debido a que el flujo de gas de combustión puede tropezarse con o ser interrumpido por la esquina trasera del reborde durante la operación, tal tropiezo del flujo de gas puede aumentar la transferencia de calor del gas de combustión de forma que, a medida que los gases se vuelven a fijar al lado de presión corriente abajo del reborde de la punta terminada, el calentamiento local de la punta puede dar lugar a una rápida oxidación de la punta del álabe, lo cual afecta negativamente a la vida útil del álabe.

Por consiguiente, se desea proporcionar un álabe de turbina con una refrigeración mejorada, a pesar de la terminación del reborde de la punta corriente arriba del borde de fuga del álabe.

De acuerdo con la invención, un álabe de motor de turbina de gas incluye unos lados de presión y de succión que se extienden entre los bordes de ataque y de fuga y de la raíz hasta la punta. El lado de presión incluye un nervio de la punta rebajado en el mismo para definir un reborde de la punta que termina en una rampa inclinada. La rampa puede estar alineada con unas líneas de corriente del flujo de los gases de combustión para evitar la interrupción del mismo y el aumento de la transferencia de calor desde el mismo.

La invención se describirá ahora más detalladamente, haciendo referencia a los dibujos, en los que:

La figura 1 es una vista isométrica de un álabe del rotor de la primera etapa de un motor de turbina de gas que posee una refrigeración de la punta del álabe de acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente invención.

La figura 2 es una vista en sección radial a través de una parte de la superficie aerodinámica del álabe que se ilustra en la figura 1 tomada generalmente a lo largo de la línea 2-2.

La figura 3 es una vista en alzado y en sección a través de la superficie aerodinámica que se ilustra en la figura 1 tomada generalmente a lo largo de la línea 3-3.

La figura 4 es una vista isométrica ampliada de la zona de la punta de la superficie aerodinámica que se ilustra en la figura 1.

La figura 5 es una vista desde arriba ampliada de la zona del borde de fuga de la punta de la superficie aerodinámica que se ilustra en la figura 1 tomada generalmente a lo largo de la línea 5-5.

En la figura 1 se ilustra un ejemplo de álabe de rotor de la primera etapa de una turbina 10 para un motor de turbina de gas sobre el que se canalizan los gases de combustión calientes 12 durante su funcionamiento. El álabe incluye una superficie aerodinámica hueca 14 unida de forma integral a un soporte en cola de milano 16 formado típicamente en un molde común. La superficie aerodinámica está configurada para extraer energía de los gases de combustión. Y la cola de milano está configurada para asegurar el álabe en el perímetro de un disco rotor (que no se muestra) que se hace girar durante el funcionamiento.

Tal como se muestra en las figuras 1 y 2, la superficie aerodinámica posee un perfil aerodinámico en forma de media luna que incluye unos lados de presión y succión opuestos 18, 20 que se extienden de forma axial o cordal entre los bordes de ataque y de fuga opuestos 22, 24. Los lados de la superficie aerodinámica también se extienden radialmente en envergadura longitudinal desde una raíz 26 en una plataforma de álabe integral hasta una punta radialmente externa 28.

La superficie aerodinámica hueca puede tener cualquier configuración interna convencional e incluye típicamente múltiples conductos de flujo internos 30 que poseen unas entradas adecuadas en la cola de milano 16 a través de las que se recibe el aire de refrigeración 32 desde un compresor (que no se muestra) del motor para su uso como refrigerante en la refrigeración del álabe durante el funcionamiento.

Tal como se muestra en la figura 2, existen nueve conductos de flujo internos 30 que se extienden radialmente por el interior de la superficie aerodinámica para enfriar preferentemente las diversas partes de la misma. Los primeros dos conductos en el borde de ataque de la superficie aerodinámica proporcionan una refrigeración por impacto dedicada del borde de ataque. Los dos conductos situados frente al borde de fuga 24 proporcionan una refrigeración dedicada de la zona del borde de fuga de la superficie aerodinámica. Y los cinco conductos intermedios están dispuestos en un circuito en serpentín de cinco pasadas para refrigerar la parte media de la superficie aerodinámica.

La superficie aerodinámica incluye diversas hileras radiales de orificios de refrigeración por película 34 a través de los lados de presión y succión de la superficie aerodinámica, necesarios para proporcionar una refrigeración eficaz de la misma. Y la superficie aerodinámica incluye una hilera de orificios de expulsión del borde de fuga 36 para expulsar el aire de refrigeración desde los dos últimos conductos internos axialmente y hacia fuera a lo largo del borde de fuga. Los orificios de expulsión del borde de fuga 36 de la forma de realización que se ilustra en las figuras 1 y 2 tienen forma de ranuras dispuestas, o que forman unas brechas, únicamente en el lado de presión 18 de la superficie aerodinámica y terminan en el propio borde de fuga. De este modo, la zona del borde de fuga de la superficie aerodinámica puede ser relativamente delgada mientras que los orificios de expulsión 36 se introducen únicamente a través del lado de presión de la misma para mantener la suficiente resistencia de la superficie aerodinámica para una vida prolongada.

Tal como se muestra en las figuras 3 y 4, un suelo de la punta generalmente plano 38 conecta los lados de presión y de succión de la superficie aerodinámica y encierra los diversos conductos internos en la misma. El suelo de la punta incluye un primer y un segundo nervio sonoro de la punta 40, 42 que se extienden a lo largo de los lados de presión y de succión, respectivamente, y se unen entre sí en los bordes de ataque y de fuga de la superficie aerodinámica. Los nervios de los lados de presión y de succión 40, 42 rodean la punta del álabe y definen un cámara impelente de la punta abierta 44 entre los mismos.

El segundo nervio del lado de succión 42 forma una extensión integral y coextensiva de la pared lateral de succión de la superficie aerodinámica desde el borde de ataque hasta el borde de fuga. El primer nervio del lado de presión 40 forma una extensión de la pared lateral de presión de la superficie aerodinámica y es en su menor parte coextensivo o está al mismo nivel que ésta.

Más específicamente, el primer nervio 40, según se ilustra en la figura 4, está rebajado en el lado de presión de la superficie aerodinámica desde la punta de la superficie aerodinámica 28 radialmente hacia dentro o hacia abajo para definir un reborde de la punta orientado hacia fuera 46 en la forma ejemplar de una esquina en forma de L en la misma. Tal como se muestra en las figuras 3 y 4, el primer nervio 40 está rebajado tanto en profundidad D hacia abajo desde la punta de la superficie aerodinámica como en anchura W hacia dentro desde el lado de presión para definir el reborde de la punta en el mismo.

De acuerdo con la presente invención, el reborde de la punta 46, según se ilustra en la figura 4, termina en una rampa inclinada 48 que se extiende axialmente hacia atrás y hacia el borde de fuga, y radialmente hacia arriba y hacia la punta de la superficie aerodinámica.

Los dos nervios sonoros 40, 42 que se ilustran en la figura 4 poseen unas alturas sustancialmente idénticas por encima del suelo de la punta para proporcionar un huelgo o hueco radial sustancialmente uniforme con una carcasa del estátor periférica (que no se muestra). El reborde de la punta 46 comienza preferentemente en un punto contiguo al borde de ataque 22 de la superficie aerodinámica y, preferentemente, ligeramente hacia atrás con respecto al mismo, tal como se requiere para mejorar la refrigeración de la punta, cuando los gases de combustión calientes 12 fluyen sobre ella durante el funcionamiento. El reborde de la punta se extiende en su mayor parte sustancialmente en paralelo al suelo de la punta 38 y los nervios que se extienden desde la misma, con una profundidad D sustancialmente constante hasta su intersección con la rampa del reborde 48. La parte en rampa del reborde disminuye en profundidad D hasta mezclarse radialmente con el lado de presión de la superficie aerodinámica donde se une a la punta de la superficie aerodinámica.

Tal como se muestra en la figura 4, el primer nervio 40 es lateralmente coextensivo o está al mismo nivel que el lado de presión de la superficie aerodinámica 18 tanto cerca del borde de ataque 22 como en su intersección como en el borde de fuga 24. La rampa 48 está dispuesta delante del borde de fuga 24 donde lo permita el espacio debido a la anchura lateral relativamente delgada de la zona del borde de fuga de la superficie aerodinámica. Por lo tanto, el primer nervio 40 es coextensivo con el lado de presión 18 axialmente entre la rampa del reborde 28 y el borde de fuga 24 para proporcionar la continuidad aerodinámica de la superficie del lado de presión.

Por consiguiente, la rampa del reborde 48 termina en el lado de presión de la punta de la superficie aerodinámica al mezclarse con la misma tanto en profundidad D como en anchura W y desaparece eficazmente en la parte o punta radialmente más externa 28 de la superficie aerodinámica delante del borde de fuga.

La figura 5 ilustra una parte ampliada de la punta de la superficie aerodinámica en el borde de fuga incluida la parte más retrasada del reborde de la punta 46 y su rampa de terminación 48. La zona del borde de fuga de la superficie aerodinámica se fabrica lo más delgada posible en esta forma de realización ejemplar, si bien las paredes que forman los lados de presión y de succión de la superficie aerodinámica deben tener un grosor mínimo para una vida aumentada. Y el tamaño de los conductos de flujo internos 30 posee unas dimensiones basadas en la capacidad de formar esos conductos usando un moldeado convencional.

En el moldeado se usan unos dedos largos de cerámica para definir los conductos de flujo individuales, algunos de los cuales se refuerzan mediante varillas finas empotradas en los mismos. Estas varillas se extienden hasta la cámara impelente de la superficie aerodinámica, que está definida por un bloque de cerámica complementario sostenido por las varillas.

Por consiguiente, se requiere que el reborde de la punta 46 que se ilustra en la figura 5 termine delante del borde de fuga 24 de la superficie aerodinámica, ya que no hay espacio suficiente para la fabricación tanto del reborde como de los conductos internos de tamaño adecuado y la cámara impelente de la punta en la zona del borde de fuga con unas dimensiones en anchura tan delgadas como resulte práctico.

La figura 4 ilustra que el extremo delantero del reborde de la punta 46 se mezcla únicamente en la dirección axial con el lado de presión para mantener la profundidad D constante del mismo hasta que termina en su extremo delantero. Por lo tanto, se forma una cara vertical en el extremo delantero del reborde de la punta.

Igualmente, el extremo trasero del reborde de la punta 46 se podría mezclar con el lado de presión únicamente en la dirección axial, pero daría lugar a una cara vertical similar en el extremo trasero del reborde de la punta. La cara vertical formaría efectivamente una esquina con forma de L donde termina el reborde en el lado de presión de la superficie aerodinámica. Tal esquina resultaría indeseable para la dirección predominante de las líneas de corriente de los gases de combustión, de las que se muestran unas representativas en la figura 4, y que están inclinadas radialmente hacia fuera.

El moderno análisis de flujo en tres dimensiones por ordenador del flujo de los gases de combustión predice el ángulo de inclinación de las líneas de corriente que se ilustran en la figura 4. Tales líneas de corriente inclinadas, al pasar sobre la cara vertical trasera del reborde de la punta en forma de L descrito anteriormente provocará la interrupción local en las líneas de corriente con una reinserción de las mismas justo detrás del reborde de la punta. La interrupción de las líneas de corriente de los gases de combustión aumenta la transferencia de calor de las mismas y puede provocar un aumento del calentamiento local de la punta de la superficie aerodinámica justo detrás del reborde de la punta.

Sin embargo, de acuerdo con la presente invención, el reborde de la punta termina en la rampa inclinada 48 para eliminar la cara vertical no deseada descrita anteriormente y la correspondiente esquina en forma de L del reborde de la punta, en el lugar en el que se mezcla con el lado de presión de la superficie aerodinámica.

Por los motivos de fabricación descritos anteriormente, la rampa del reborde 48 que se ilustra en la figura 4 termina preferentemente delante del borde de fuga 24, y el lado de presión es coextensivo a lo largo del reborde y la rampa de la punta. La rampa del reborde 48 está inclinada a un pequeño ángulo agudo A con respecto al sustancialmente recto reborde de la punta 46 para coincidir sustancialmente con la orientación angular o inclinación de las líneas de corriente del flujo de gases de combustión en el punto deseado del diseño en el funcionamiento del motor.

Por tanto, la rampa inclinada del reborde 48 está espaciada delante del borde de fuga de la superficie aerodinámica para proporcionar una continuidad ininterrumpida del lado de presión liso de la superficie aerodinámica 18 inmediatamente detrás del reborde y la rampa de la punta para mantener la fijación de los gases de combustión 12 a lo largo del lado de presión entre la rampa y el borde de fuga y sobre la parte trasera del primer nervio de la punta del lado de presión 40. Las líneas de corriente de los gases de combustión fluirán generalmente en paralelo a la rampa inclinada correspondientemente 48 para minimizar o impedir la separación del flujo del gas de combustión, que posteriormente se volvería a fijar a lo largo del lado de presión. Los gases de combustión pueden permanecer fijados al lado de presión a medida que fluyen inmediatamente detrás de la rampa del reborde sin que se vean afectados negativamente.

El reborde de la punta 46 que se ilustra en la figura 4 es, preferentemente, sustancialmente plano y posee una profundidad D sustancialmente constante desde la punta de la superficie aerodinámica. Y la rampa del reborde 48 es, preferentemente, sustancialmente plana o recta y se une al reborde de la punta en un ángulo obtuso incluido entre los mismos.

Preferentemente la rampa del reborde tiene una pendiente o está inclinada radialmente hacia fuera hacia la punta de la superficie aerodinámica y el borde de fuga a un ángulo de inclinación A de aproximadamente 12 grados desde la dirección horizontal nominal del reborde de la punta, el suelo de la punta 38, y el primer nervio de la punta 40.

Tal como se muestra en la figura 3, el reborde de la punta 46 se une preferentemente al primer nervio 40 en una esquina en ángulo recto entre los mismos. Y una hilera de orificios de expulsión del reborde 50 se extiende hacia dentro a través del suelo de la punta 38 comunicado con los conductos de flujo internos 30 para expulsar el refrigerante de los mismos. Tal como se muestra en la figura 4, la hilera de orificios del reborde 50 se extiende a lo largo del reborde y la rampa de la punta, según se desee, para expulsar el refrigerante a lo largo de los mismos.

El flujo de refrigerante en el reborde de la punta proporciona la refrigeración por película del nervio sonoro del lado de presión 40 y una barrera de aislamiento térmico contra los efectos de calentamiento de los gases de combustión calientes. El reborde de la punta goza de todas las ventajas del reborde de la punta original descrito en la patente identificada anteriormente, y goza de las ventajas añadidas debidas a la introducción de la rampa inclinada del reborde 48 en el extremo trasero del reborde.

Claims (10)

1. Un álabe de motor de turbina de gas (10) que comprende:

una superficie aerodinámica (14) que posee unos lados opuestos de presión y de succión (18, 20) que se extienden en el sentido de la cuerda entre los bordes de ataque y de fuga (22, 24) y en el sentido de la envergadura entre una raíz (26) y una punta (28);

un suelo de la punta (38) que conecta dichos lados de presión y de succión, y que incluye un primer y un segundo nervio (40, 42) que se extienden a lo largo del mismo para definir una cámara impelente de la punta (44) entre los mismos, caracterizado porque

dicho primer nervio (40) está rebajado en dicho lado de presión para definir un reborde de la punta (46) en el mismo, y dicho reborde de la punta termina delante de dicho borde de fuga (24) en una rampa (48) inclinada hacia fuera y hacia dicha punta de la superficie aerodinámica.

2. Un álabe según la reivindicación 1, en el que dicho reborde de la punta (46) comienza en un punto contiguo a dicho borde de ataque (22) y se extiende en su mayor parte sustancialmente en paralelo a dicho suelo de la punta (38) detrás de dicha rampa del reborde (48), y después disminuye de profundidad a lo largo del mismo.

3. Un álabe según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho primer nervio (40) es coextensivo con dicho lado de presión de la superficie aerodinámica (18) entre dicha rampa del reborde (48) y dicho borde de fuga (24), y dicha rampa (48) se mezcla tanto en profundidad como en anchura con dicho lado de presión en dicha punta (28).

4. Un álabe según la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dicha superficie aerodinámica (14) incluye también una hilera de orificios de expulsión (36) del borde de fuga formando unas brechas en dicho lado de presión (18) y terminando en dicho borde de fuga, y dicha rampa del reborde (48) está espaciada hacia delante con respecto al mismo para mantener la fijación del flujo de gases de combustión a lo largo de dicho lado de presión entre estos.

5. Un álabe de motor de turbina de gas (10) que posee un reborde de la punta (46) rebajado en un lado de presión (18) del mismo a lo largo de un nervio de la punta sonoro (40), y caracterizado porque dicho reborde termina en una rampa inclinada (48) delante de dicho borde de fuga (24), y dicha rampa se mezcla con dicho lado de presión.

6. Un álabe según la reivindicación 5 que incluye además unos conductos de flujo internos (30) en el mismo para canalizar un refrigerante (32) a través de los mismos, y dicho reborde de la punta (46) incluye una hilera de orificios de expulsión (50) comunicados con dichos conductos para expulsar dicho refrigerante a lo largo de dicho reborde y dicha rampa.

7. Un álabe según la reivindicación 5 ó 6, que comprende además un lado de succión (20) espaciado con respecto a dicho lado de presión (18) y que se extiende entre dicho borde de fuga (24) y un borde de ataque opuesto (22), y dicho reborde de la punta (46) comienza en dicho lado de presión detrás de dicho borde de ataque (22) y posee una profundidad sustancialmente constante hasta dicha rampa (48), disminuyendo dicha rampa en profundidad para mezclarse con dicho lado de presión (18).

8. Un álabe de motor de turbina de gas (10) que comprende una superficie aerodinámica hueca (14) y una cola de milano (16) integral, teniendo dicha superficie aerodinámica unos lados opuestos de presión y de succión (18, 20) que se extienden entre los bordes de ataque y de fuga (22, 24) y desde la raíz (26) hasta la punta (28), y dicha punta incluye un primer y un segundo nervio de la punta (40, 42) que se extienden a lo largo de dichos lados de presión y de succión, respectivamente, caracterizado porque dicho primer nervio de la punta está rebajado tanto en profundidad como en anchura en dicho lado de presión (18) para definir un reborde de la punta (46) en el mismo, que termina en una rampa inclinada (48) que se extiende hacia dicho borde de fuga (24).

9. Un álabe según la reivindicación 8 en el que dicha rampa del reborde (48) se mezcla tanto en profundidad como en anchura con dicho lado de presión de la superficie aerodinámica en dicha punta (28).

10. Un álabe según la reivindicación 8 ó 9 en el que dicha rampa del reborde (48) está inclinada en dicho lado de presión para coincidir sustancialmente con las líneas de corriente del flujo de gases de combustión que pueden fluir a lo largo de dicho lado de presión.