ES2270300T3 - Alabe de turbina refrigerado con perdidas reducidas del aire de refrigeracion. - Google Patents
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Abstract
Alabe para turbina de turbomáquina que comprende una camisa (18) con múltiples agujeros que define una cavidad anular (20) entre una pared exterior de esta camisa y una pared interna del álabe 10, una abertura (24) de admisión de aire para alimentar el interior de esta camisa con aire de refrigeración y una abertura (28) de evacuación de aire para evacuar del álabe parte de este aire de refrigeración, siendo la camisa solidaria con el álabe por un extremo (18A) y pudiendo deslizar libremente por otro extremo (18B) a lo largo de un borde interno (16A) del álabe en caso de dilatación térmica relativa entre la camisa y la pared interna del álabe, definiendo el espacio anular (21) entre este extremo libre de la camisa y el borde interno del álabe una zona de fuga para el aire de refrigeración, caracterizado porque dicho borde interno (16A) comprende un vaciado (30) para crear una pérdida de carga en dicha zona de fuga con el fin de reducir el caudal de aire de refrigeración que la atraviesa.
Description
Álabe de turbina refrigerado con pérdidas
reducidas del aire de refrigeración.
La presente invención se refiere al campo
general de los álabes de turbina de turbomáquina, y, más
concretamente, a los álabes de turbina provistos de circuitos de
refrigeración integrados.
De manera en sí conocida, una turbomáquina
comprende una cámara de combustión en la que se mezclan aire y
carburante antes de ser quemados en ella. Los gases resultantes de
esta combustión fluyen aguas abajo de la cámara de combustión, y,
posteriormente, alimentan una turbina de alta presión y una turbina
de baja presión. Cada turbina comprende una o varias filas de
álabes fijos (denominados distribuidores) que alternan con una o
varias filas de álabes móviles (denominados ruedas móviles),
separadas circunferencialmente en torno a todo el rotor de la
turbina. Estos álabes de turbina están sometidos a las temperaturas
extremadamente elevadas de los gases de combustión, que alcanzan
valores ampliamente superiores a los que pueden soportar sin daños
los álabes en contacto directo con estos gases, lo que tiene como
consecuencia limitar su vida útil.
Con el fin de resolver este problema, es
conocido prever en estos álabes circuitos de refrigeración internos
destinados a reducir su temperatura, y que generen, dentro del
álabe, una circulación organizada de este aire, y, en la pared de
cada álabe, agujeros destinados a generar una película de protección
del álabe.
Las figuras 5 y 6 muestran una estructura de
álabe refrigerado convencional del tipo provisto de camisa, que
equipa, actualmente, ciertos motores aeronáuticos.
El álabe 10, que comprende una pala hueca 12
insertada entre una plataforma externa 14 y una plataforma interna
16, comprende una camisa 18 que define una cavidad periférica anular
20 entre la pared interna de la pala y el exterior de la camisa.
Esta camisa está fijada por su parte superior 18A, de manera
estanca, en la plataforma externa del álabe mediante soldadura
blanda o fuerte, y su parte inferior 18B está empotrada en la
plataforma interna del álabe al nivel de una zona 16A de guiado,
con una holgura determinada necesaria para el montaje y el
deslizamiento de la camisa sometida a dilatación térmica. De acuerdo
con la configuración considerada, resaltos 22 solidarios con la
pared interna o constituidos por salientes de la camisa mantienen
una separación constante entre la camisa y esta pared interna.
La camisa 18 es del tipo que presenta múltiples
agujeros, de modo que el caudal de aire de refrigeración entregado
por una fuente de aire a presión, en general el compresor de la
turbomáquina, penetre en la plataforma externa 14 a través de un
orificio 24 de entrada, llegue al interior de la camisa 18 y escape,
en parte, a través de los múltiples agujeros de la camisa, formando
en la cavidad periférica 20 chorros de aire que refrigeren por
impacto la pared interna de la pala 12, y, después, sean evacuados a
través de perforaciones calibradas 25 practicadas en el borde de
fuga o en la cara de intradós de esta pala con el fin de formar una
película de aire protectora (pueden estar previstos puentes 26 en
el interior de la pala para distribuir en él la circulación del
aire de refrigeración). El caudal de aire restante sale atravesando
la plataforma interna 16, refrigerándola, para escapar a través de
un orificio 28 de salida al exterior del álabe, en dirección a otros
órganos del motor a refrigerar.
Como consecuencia de la holgura existente entre
la parte inferior 18B de la camisa y la zona 16A de la plataforma
interna en la que desliza esta camisa, se produce, necesariamente,
una fuga de aire de refrigeración cuya importancia depende del
equilibrio de las presiones entre la salida de la camisa, al nivel
de su parte inferior 18A, y la cavidad periférica 20. Así, si la
presión a la salida de la camisa es superior a la presión que
existe en la cavidad, cierto caudal de aire ascenderá por esta
cavidad, disminuyendo, consiguientemente, el caudal para la
ventilación de los órganos externos y del álabe. Inversamente, con
una presión más baja a la salida de la camisa, el aire que haya
participado en la refrigeración de la pared interna de la camisa
alimentará el flujo de ventilación de los órganos externos, lo que
constituye un problema gravemente perjudicial para la vida útil del
motor, debido al aumento de su temperatura producido por el contacto
con la pared del álabe. Un álabe para turbomáquina se divulga,
también, en el documento
EP-A-1160418.
La presente invención tiene por objeto paliar
los inconvenientes relacionados con estas fugas de aire de
refrigeración ofreciendo un álabe de turbina que las reduzca de
manera notable sin necesidad de incluir un sistema de estanqueidad
complementario que presente el importante inconveniente de
dificultar el deslizamiento de la camisa. La invención tiene por
objeto, también, conseguir un álabe con muy pocas modificaciones en
su geometría, de manera que su proceso de fabricación varíe muy
poco en relación con el proceso de fabricación tradicional mediante
fundición, con el fin de evitar cualquier tipo de degradación del
comportamiento mecánico general de este álabe. Por último, tiene
por objeto una turbina de turbomáquina dotada de tales álabes
refrigerados.
Para este efecto, está previsto un álabe de
turbina de turbomáquina que comprende una camisa con múltiples
agujeros que define una cavidad anular entre una pared exterior de
esta camisa y una pared interna del álabe, una abertura de admisión
de aire para alimentar el interior de esta camisa con aire de
refrigeración y una abertura de evacuación de aire para evacuar del
álabe parte de este aire de refrigeración, siendo la camisa
solidaria con el álabe por un extremo y pudiendo deslizar libremente
por otro extremo a lo largo de un borde interno del álabe en caso
de dilatación térmica relativa entre la camisa y la pared interna
del álabe, definiendo el espacio anular entre este extremo libre de
la camisa y el borde interno del álabe una zona de fuga para el
aire de refrigeración, caracterizado porque dicho borde interno
comprende un vaciado para crear una pérdida de carga en dicha zona
de fuga con el fin de reducir el caudal de aire de refrigeración que
la atraviesa.
De ese modo, al crear pérdidas de carga en la
zona de fuga, se hace disminuir, en gran medida, el caudal de esta
fuga de aire de refrigeración. Así, esta geometría particular de la
sección de guiado de la camisa permite disminuir, aproximadamente,
un 25% el caudal de fuga constatado habitualmente en este tipo de
álabe provisto de una camisa sin tener que modificar el proceso de
fabricación del álabe (solo es necesario hacer pequeñas
modificaciones en el molde macho de la plataforma interna). Además,
el hecho de no existir sistema de estanqueidad facilita el
deslizamiento de la camisa en el álabe.
De acuerdo con el modo de realización
considerado, dicho vaciado está previsto en toda la periferia de
dicho borde interno, o en parte de ella, y presenta,
ventajosamente, una geometría de revolución. Puede consistir en una
ranura rectangular, o bien, en una ranura alveolada que comprenda,
de preferencia, al menos un alveolo.
La invención se refiere, también, a una turbina
de turbomáquina provista de una pluralidad de álabes refrigerados
tales como los citados anteriormente.
Otras características y ventajas de la presente
invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción que
sigue, con referencia a los dibujos adjuntos, que muestran un
ejemplo de realización sin carácter limitativo, y en los que:
- la figura 1 es una vista, en perspectiva, de
un álabe de distribuidor de turbina de acuerdo con la invención,
- la figura 2 es una vista de detalle de la
figura 1 al nivel de una zona de fuga de un primer modo de
realización de la invención,
- la figura 3 es una vista de detalle de la
figura 1 al nivel de una zona de fuga de un segundo modo de
realización de la invención,
- la figura 4 es una ampliación de la figura
3,
- la figura 5 es una vista, en perspectiva, de
un álabe de distribuidor de turbina de la técnica anterior, y
- la figura 6 es una vista, en corte, del álabe
de la figura 5.
La figura 1 representa, en perspectiva, un álabe
10 refrigerado, por ejemplo, un álabe de distribuidor de turbina de
una turbomáquina conforme a la presente invención. Este álabe,
formado por una pala hueca 12 montada entre una plataforma externa
14 y una plataforma interna 16, está fijado en un cárter (no
representado) de la turbina por medio de la plataforma externa que
define una pared externa para la vena de flujo de los gases de
combustión a través de la turbina, estando definida la pared interna
de la vena de flujo por la plataforma interna de este álabe.
Un álabe de este tipo está sometido a las
temperaturas altísimas de los gases de combustión y, por tanto,
tiene que ser refrigerado. Para este efecto, y de manera en sí
conocida, el álabe 10 comprende, al menos, una camisa 18 con
múltiples agujeros, alimentada con aire de refrigeración por uno de
sus extremos radiales, y que define una cavidad periférica anular
20 entre la pared interna del álabe y la pared exterior de la
camisa. Por su parte superior 18A, esta camisa está fijada de
manera estanca en la plataforma externa 14 del álabe mediante
soldadura blanda o fuerte, y, por su parte inferior 18B está
empotrada en la plataforma interna 16 del álabe al nivel de una
zona 16A de guiado o deslizamiento, con una holgura determinada,
definida por un espacio anular 21, necesaria para el montaje y el
deslizamiento de la camisa en funcionamiento, habida cuenta de la
evolución diferente de las temperaturas de los diversos componentes
del álabe y, por tanto, de su dilatación relativa, y que
constituye, también, una zona de fuga para el aire de refrigeración.
Están previstas aberturas de admisión 24 y de evacuación 28 de aire
al nivel de las plataformas externa e interna, respectivamente,
para la circulación del aire de refrigeración.
De acuerdo con la invención, está previsto crear
pérdidas de carga en la zona de fuga con el fin de reducir el
caudal de aire de refrigeración que la atraviesa. Para ello, y como
muestran los modos de realización de las figuras 2 y 3, la zona 16A
de deslizamiento de la parte inferior de la camisa 18 en la
plataforma interna 16 está dotada de un vaciado 30 conformado en
toda la periferia de esta zona, o en parte de ella, en forma de
pequeña entalladura o ranura cuyas formas y dimensiones serán
función del caudal de fuga deseado. Este vaciado tiene, de
preferencia, geometría de revolución (o circunferencial), anular o
elíptica, por ejemplo.
En la figura 2, este vaciado está formado,
simplemente, por una ranura rectangular 32. Los inventores han
podido comprobar que mediante esta geometría elemental el aumento de
las pérdidas de carga inducido por la ranura lleva consigo una
reducción no despreciable del caudal de aire de refrigeración en la
zona de fuga en relación con la geometría sin vaciado de la técnica
anterior. Así, para una ranura de 2 mm de anchura y 0,6 mm de
profundidad, esta reducción es del orden del 12%.
En la figura 3, este vaciado está constituido
por una ranura alveolada cuya forma precisa se muestra con detalle
en la figura 4. Dicha ranura presenta tres alveolos 34, 36, 38, que
permiten generar tres fracciones sucesivas del caudal de fuga.
Obviamente, el número de alveolos y la forma de los mismos no tienen
carácter limitativo alguno, y los expertos en la técnica podrán
decidir su número y su forma en función de las características del
caudal requerido. En este caso, también, los inventores han podido
comprobar que con una geometría de este tipo, el aumento de las
pérdidas de carga inducido por esta ranura alveolada lleva consigo
una reducción no despreciable del caudal de aire de refrigeración
en la zona de fuga, no solamente en relación con la geometría sin
vaciado de la técnica anterior, sino, también, en relación con una
ranura rectangular de iguales medidas. En efecto, en este caso se
consigue una reducción de caudal del orden de un 25% (prácticamente
el doble que en el caso anterior) mediante tres alveolos de 0,6 mm
de profundidad (con radio de curvatura de 0,2 mm) en una ranura de
2 mm de anchura.
Merced a esta invención el proceso de
fabricación del álabe no tiene que modificarse, resultando
suficiente realizar sólo pequeñas modificaciones en el macho del
molde destinado a la fabricación de la plataforma interna del álabe
para adaptarlo a la forma de vaciado deseada. Por otro lado, al no
existir junta ni sistema de estanqueidad de otro tipo en la zona de
fuga se evita el riesgo de bloqueo durante el deslizamiento de la
camisa en caso de dilatación.
Claims (7)
1. Alabe para turbina de turbomáquina que
comprende una camisa (18) con múltiples agujeros que define una
cavidad anular (20) entre una pared exterior de esta camisa y una
pared interna del álabe 10, una abertura (24) de admisión de aire
para alimentar el interior de esta camisa con aire de refrigeración
y una abertura (28) de evacuación de aire para evacuar del álabe
parte de este aire de refrigeración, siendo la camisa solidaria con
el álabe por un extremo (18A) y pudiendo deslizar libremente por
otro extremo (18B) a lo largo de un borde interno (16A) del álabe
en caso de dilatación térmica relativa entre la camisa y la pared
interna del álabe, definiendo el espacio anular (21) entre este
extremo libre de la camisa y el borde interno del álabe una zona de
fuga para el aire de refrigeración, caracterizado porque
dicho borde interno (16A) comprende un vaciado (30) para crear una
pérdida de carga en dicha zona de fuga con el fin de reducir el
caudal de aire de refrigeración que
la atraviesa.
la atraviesa.
2. Alabe según la refrigeración 1,
caracterizado porque dicho vaciado está conformado en toda la
periferia de dicho borde interno, o en parte de ella.
3. Alabe según la refrigeración 2,
caracterizado porque dicho vaciado presenta una geometría de
revolución.
4. Alabe según la refrigeración 1,
caracterizado porque dicho vaciado comprende una ranura
rectangular (32).
5. Alabe según la refrigeración 1,
caracterizado porque dicho vaciado comprende una ranura
alveolada (34, 36, 38).
6. Alabe según la refrigeración 5,
caracterizado porque dicha ranura alveolada comprende, al
menos, un alveolo.
7. Turbina de turbomáquina, caracterizada
porque comprende una pluralidad de álabes refrigerados (10) según
cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
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