ES2281050T3 - Maquina de trabajo reologico con concentraciones de rendija axial inferiores a 1. - Google Patents

Maquina de trabajo reologico con concentraciones de rendija axial inferiores a 1. Download PDF

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Abstract

Máquina de trabajo reológico con al menos un rotor provisto de paletas y al menos un estator provisto de paletas, en donde el rotor está montado en una carcasa por medio de un árbol rotativo, caracterizada porque está previsto un desarrollo de canal anular cuyas secciones transversales de superficie conducen a unas contracciones de rendija axial KX1 y KX2 que satisfacen las ecuaciones siguientes: 0, 8 < KX1 < 1, 0 0, 8 < KX2 < 1, 0 en donde KX1 y KX2 satisfacen las ecuaciones siguientes: KX1 = ARA / ASI KX2 = ARA / ARI2 en donde ARA, ASI, ASA y ARI2 se calculan como sigue: ARA = p (R42 - R32) ASI = p (R62 - R52) ASA = p (R82 - R72) ARI2 = p (R102 - R92) en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son R3 el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor, R4 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor, R5 el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator, R6 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator, R7 el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator, R8 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator, R9 el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo y R10 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo.

Description

Máquina de trabajo reológico con concentraciones de rendija axial inferiores a 1.
La invención se refiere a una máquina de trabajo reológico según el preámbulo de la reivindicación principal o de la reivindicación adyacente de igual rango.
En particular, la invención se refiere a una máquina de trabajo reológico con al menos un rotor provisto de paletas y al menos un estator provisto de paletas, en donde el rotor está alojado en una carcasa por medio de un árbol
rotativo.
La carga aerodinámica de máquinas de trabajo reológico, como, por ejemplo, soplantes, compresores, bombas y ventiladores, que pueden hacerse funcionar tanto con un medio gaseoso como con un medio líquido, viene determinada por el crecimiento y el desprendimiento de capas límite sobre las paletas y sobre las paredes del cubo y de la carcasa. Usualmente, se obtiene un buen comportamiento de funcionamiento cuando la carga dinámica se distribuye uniformemente sobre el empaletado del rotor y el empaletado del estator, por ejemplo en el caso de una etapa de soplante o de compresor. La contracción del canal anular, es decir, la disminución de la superficie de la sección transversal del canal anular en la dirección de flujo, la cual es necesaria en el caso de un medio de trabajo compresible entre el plano de entrada y el plano de salida de una etapa, resulta ser también muy semejante en el rotor y el estator. Se producen así ligeras diferencias de la contracción en el rotor y el estator según el grado de reacción elegido de esta
etapa.
El estado de la técnica muestra construcciones en las que el contorno interior y el contorno exterior del canal anular, por ejemplo de soplantes y compresores, se aproximan continuamente uno a otro y presentan entonces un desarrollo cónico sin irregularidades.
Por consiguiente, los canales anulares conocidos por el estado de la técnica se pueden subdividir en dos categorías: por un lado, en canales anulares con desarrollo continuamente cónico y, por otro lado, en canales anulares con desarrollo cónico, pero con superficie constante en las rendijas axiales entre las paletas, no presentándose entonces ninguna contracción. El estado de la técnica últimamente citado resulta, por ejemplo, del documento US 6,312,221 B1.
El documento EP-A-0 982 475 describe una configuración de turbina, pero no una máquina de trabajo reológico en el sentido de la presente invención, tal como un compresor o un ventilador. Ésta muestra una línea central del canal anular ascendente en la dirección de flujo y una superficie de sección transversal del canal anular creciente en la dirección de flujo. En particular, ese documento concierne a diferentes formas de la banda de cubierta. En ese documento interviene solamente una configuración de junta de la banda de cubierta que se repite sistemáticamente a lo largo de la turbomáquina.
El documento DE 338 916 C se refiere solamente a turbinas, pero no a turbomáquinas de trabajo tales como compresores, ventiladores, etc.
La invención se basa en el problema de crear una máquina de trabajo reológico de la clase citada al principio que, junto con una estructura sencilla y un funcionamiento seguro, presente una descarga aerodinámica del
rotor.
Según la invención, el problema se resuelve con las características de las combinaciones de las reivindicaciones adyacentes de igual rango, mientras que las reivindicaciones subordinadas muestran otras ejecuciones ventajosas de la invención.
Por tanto, según la invención, se ha previsto un desarrollo de canal anular cuyas secciones transversales de superficie conducen a unas contracciones de rendija axial KX1 y KX2 que satisfacen las ecuaciones siguientes:
0.8 < KX1 < 1.0
0.8 < KX2 < 1.0
en donde KX1 y KX2 satisfacen las ecuaciones siguientes:
KX1 = ARA/ASI
KX2 = ARA/ARI2
\newpage
en donde ARA, ASI, ASA y ARI2 se calculan como sigue:
ARA = \pi (R_{4}{}^{2} - R_{3}{}^{2})
ASI = \pi (R_{6}{}^{2} - R_{5}{}^{2})
ASA = \pi (R_{8}{}^{2} - R_{7}{}^{2})
ARI2 = \pi (R_{10}{}^{2} - R_{9}{}^{2})
en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son
R_{3}
el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{4}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
R_{5}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
R_{6}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{7}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{8}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{9}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo y
R_{10}
el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo.
Por tanto, en una ejecución ventajosa de la invención, se ha previsto, por un lado, un desarrollo de canal anular cuya sección transversal de superficie en al menos una etapa que comprende un rotor y un estator conduce a una relación de contracción de rotor-estator QRS que satisface la ecuación siguiente:
[0.2 + (KT - 0.45)^{0.1}] < QRS < 3.0
en donde KT es la contracción total de la etapa. QRS y KT se han calculado como sigue:
QRS = KR/KS 
\hskip0,4cm
con 
\hskip0,4cm
KR = ARI/ARA
y\ KS = ASI/ASA
KT = ARI/ASA
en donde ARI, ARA, ASI y ASA se calculan como sigue:
ARI = \pi (R_{2}{}^{2} - R_{1}{}^{2})
ARA = \pi (R_{4}{}^{2} - R_{3}{}^{2})
ASI = \pi (R_{6}{}^{2} - R_{5}{}^{2})
ASA = \pi (R_{8}{}^{2} - R_{7}{}^{2})
en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son
R_{1}
el radio en el punto de base, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{2}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
R_{3}
el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{4}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
R_{5}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
R_{6}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{7}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator y
R_{8}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator.
La presente invención se caracteriza por una serie de ventajas considerables.
Ésta se aplica a una máquina de trabajo reológico tanto para un medio de trabajo gaseoso como para un medio de trabajo líquido en clase de construcción axial o semiaxial.
La solución puede utilizarse tanto en máquinas de trabajo reológico con sólo una etapa (rotor y estator) como con varias etapas.
Se sobrentiende que, tal como es conocido también por el estado de la técnica, el rotor está constituido por una pluralidad de paletas que están unidas con el árbol rotativo de la máquina de trabajo reológico y que entregan el medio de trabajo. Por consiguiente, el estator está constituido por una pluralidad de paletas estacionarias que pueden estar construidas en ambos extremos con una banda de cubierta o por el lado del cubo con un extremo de paleta libre. Tanto el rotor como el estator están dispuestos en una carcasa.
Asimismo, la máquina de trabajo reológico puede presentar en su ejecución un estator dispuesto delante del primer rotor (prerrodete de guía). Los estatores pueden estar construidos en forma giratoria con respecto a sus paletas, de modo que éstas pueden ajustarse desde fuera de la carcasa, por ejemplo por medio de un husillo.
Es especialmente favorable que la máquina de trabajo reológico, que puede estar construida, por ejemplo, como una turbomáquina, comprenda estatores con una configuración especial de alto empuje ascensional y una capacidad de carga aerodinámica correspondientemente elevada. Esto puede ser de gran ventaja cuando las distintas etapas de la máquina de trabajo reológico sean provistas de un desarrollo de la sección transversal del canal anular que permita un significativo incremento de la carga del estator bajo una carga constante del rotor. En este caso, es conveniente que, a diferencia del estado de la técnica, se prevea una superelevación visible de la relación de contracción de rotor-estator de una etapa. Cuando se considera una etapa de una máquina de trabajo reológico de varias etapas (turbomáquina), la contracción en el rotor de la etapa es relativamente alta, mientras que ésta es muchísimo más pequeña en el estator de la misma etapa. Esta circunstancia se puede cuantificar por medio de la relación de contracción QRS indicada entre el rotor y el estator.
Para ilustrar la invención, la figura 1 muestra un fragmento de una turbomáquina de varias etapas con la definición de las superficies de la sección transversal del canal anular.
En la figura 1 se muestra la enésima etapa de una máquina de múltiples etapas. Los cuatro puntos de esquina del rotor (n) y del estator (n), así como los puntos de esquina delanteros del rotor sucesivo (n+1) están especialmente marcados. Los puntos de esquina vienen fijados por los puntos de intersección de los cantos delanteros y traseros (o su prolongación radial en el caso de extremos de paleta de estator o de rotor con rendija anular) y la carcasa o el cubo. Cuando el contorno del cubo o la carcasa no discurre con radio constante en dirección periférica, se tiene en cuenta entonces el radio aritméticamente promediado en dirección periférica. El rotor (n) posee los puntos P1 a P4, el estator (n) posee los puntos P5 a P8 y el rotor (n+1) posee los puntos P9 a P10. Cada punto P(i) tiene la posición axial X(i) y el radio R(i). El sistema de referencia de coordenadas está sobre el eje de la máquina.
La figura 2 muestra las fórmulas para calcular las cinco superficies de sección transversal de canal anular ARI, ARA, ASI, ASA y ARI2, las cuales se pueden calcular a partir de los radios. La contracción del rotor resulta entonces de KR = ARI/ARA, mientras que la contracción del rotor se calcula a partir de KS = ASI/ASA.
La relación de contracción entre el rotor y el estator es entonces QRS = KR/KS.
Asimismo, es de importancia la contracción total de la etapa KT = ARI/ASA.
Existe un intervalo de valores superelevados de QRS en función de KT según la regla de cálculo siguiente:
[0.2 + (KT - 0.45)^{0.1}] < QRS < 3.0
La relación según la fórmula anterior está representada gráficamente en la mitad derecha de la figura 2. Puede apreciarse en ésta que las máquinas de trabajo reológico conocidas por el estado de la técnica se encuentran netamente por debajo de la línea característica.
La figura 3 muestra un desarrollo a título de ejemplo de un canal anular en comparación con un canal anular construido según el estado de la técnica. Partiendo de esta configuración de canal anular conocida por el estado de la técnica, se puede satisfacer el criterio QRS mediante una conformación única del contorno del cubo del árbol del rotor, mediante una conformación única del contorno de la carcasa o mediante una combinación de conformaciones del contorno del cubo y de la carcasa.
Se sobrentiende que la figura 3 elige solamente una representación muy simplificada. Es posible igualmente variar también los puntos de entrada del rotor y los puntos de salida del mismo.
En la solución anteriormente descrita según la invención la extensión de la acumulación de presión estática limitada usualmente a filas del rotor y del estator se ha desplazado a las rendijas axiales entre las distintas filas de paletas. Esta circunstancia se puede describir cuantitativamente también con ayuda de las superficies de la sección transversal del canal anular en los planos de entrada y de salida de los rotores y estatores. A este fin, se hace referencia una vez más a la figura 1.
Como se representa en la figura 2, con las superficies de sección transversal de canal anular dadas ARA, ASI, ASA y ARI2 se pueden calcular la contracción KX1 = ARA/ASI entre el rotor y el estator, así como la contracción KX2 = ASA/ARI2 entre el estator y el rotor sucesivo. Por tanto, según la invención, está previsto un rango de valores de KX por debajo de 1,0. Se cumplen aquí las reglas siguientes:
0.8 < KX1 < 1.0\ y
0.8 < KX2 < 1.0.
Los valores conocidos por el estado de la técnica están siempre por encima de 1,0 o tienen un valor de 1,0.
La figura 4 muestra un ejemplo de realización del desarrollo de un canal anular en comparación con una canal anular conocido por el estado de la técnica. Partiendo de una configuración de canal anular dada (estado de la técnica), se puede cumplir según la invención con el criterio KX mediante una conformación única del contorno del cubo, mediante una conformación única del contorno de la carcasa o mediante una combinación de conformaciones del contorno del cubo y de la carcasa.
Por motivos de claridad, en la representación de la figura 4 se ha prescindido también de que se pueden variar igualmente los puntos de salida del rotor y del estator.
Se desprende de la comparación con el estado de la técnica que los canales anulares conocidos por el estado de la técnica no comprenden el empleo de contracciones fuertemente diferentes (relaciones de superficie) en el rotor y el estator. Por tanto, esto representa una gran ventaja especialmente cuando se emplean diferentes metódicas de proyecto para rotores y estatores. Esto puede consistir, por ejemplo, en la utilización de técnicas convencionalmente traídas en el rotor y la utilización de nuevas configuraciones de alto empuje ascensional en el estator. Todos los proyectos de soplantes y compresores del estado de la técnica muestran diferencias muy claramente perfiladas respecto de la disminución porcentual de las superficies del canal anular en la dirección de flujo a lo largo del rotor y del estator de una etapa. El estado de la técnica no muestra tampoco un desplazamiento parcial de la difusión desde las filas de paletas hasta las rendijas axiales. Esto significa que en el estado de la técnica se parte de una superficie de sección transversal de canal anular decreciente o constante en la dirección de
flujo.
Es especialmente ventajoso que la utilización de una elevada relación de contracción de estator-rotor cree la premisa para un proyecto de una máquina de trabajo reológico o de una turbomáquina que incluya la utilización híbrida de una tecnología de rotor que se sigue desarrollando usualmente y una novedosa técnica para estatores en combinación de alto empuje ascensional. Esto crea una categoría delimitada de nuevas máquinas de trabajo reológico o turbomáquinas.
Para una relación de presión dada de una turbomáquina se puede reducir el número de las piezas construidas en aproximadamente 40%, a la vez que se conserva o se mejora el rendimiento (hasta 2% dependiendo del rendimiento de los estatores especiales mencionados). Los costes disminuyen entonces en aproximadamente un 20%.
\newpage
Utilizando el concepto en el compresor de un mecanismo propulsor de avión con aproximadamente 25.000 libras (111 kN) de empuje se obtiene entonces una reducción del consumo específico de carburante de hasta un 1%.
Además, la utilización de contracciones de las rendijas axiales por debajo de 1,0 ofrece una posibilidad para que las rendijas axiales usualmente no utilizadas sean integradas como elementos activos en el proceso de la acumulación de presión estática en la máquina de trabajo reológico (turbomáquina) y para que se aproveche más eficazmente una longitud de construcción axial dada. Este enfoque es también completamente novedoso en cuanto a su concepto general y no ha sido imaginado de ninguna manera por el estado de la técnica. Considerado por sí solo, crea ya una categoría delimitada de nuevas máquinas de trabajo reológico (turbomáquinas). Para una relación dada de la máquina de trabajo reológico (turbomáquina) se puede incrementar el rendimiento en aproximadamente 0,5% y se puede reducir en 5% el número de paletas montadas. Los costes disminuyen en alrededor de un 2%. Utilizando el concepto en el compresor de un mecanismo propulsor de avión con aproximadamente 25.000 libras (111 kN) de empuje se obtiene así una reducción del consumo específico de carburante de aproximadamente un 0,25%.

Claims (9)

1. Máquina de trabajo reológico con al menos un rotor provisto de paletas y al menos un estator provisto de paletas, en donde el rotor está montado en una carcasa por medio de un árbol rotativo, caracterizada porque está previsto un desarrollo de canal anular cuyas secciones transversales de superficie conducen a unas contracciones de rendija axial KX1 y KX2 que satisfacen las ecuaciones siguientes:
0.8 < KX1 < 1.0
0.8 < KX2 < 1.0
en donde KX1 y KX2 satisfacen las ecuaciones siguientes:
KX1 = ARA/ASI
KX2 = ARA/ARI2
en donde ARA, ASI, ASA y ARI2 se calculan como sigue:
ARA = \pi (R_{4}{}^{2} - R_{3}{}^{2})
ASI = \pi (R_{6}{}^{2} - R_{5}{}^{2})
ASA = \pi (R_{8}{}^{2} - R_{7}{}^{2})
ARI2 = \pi (R_{10}{}^{2} - R_{9}{}^{2})
en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son
R_{3}
el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{4}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
R_{5}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
R_{6}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{7}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{8}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
R_{9}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo y
R_{10}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo.
2. Máquina de trabajo reológico según la reivindicación 1, caracterizada porque está previsto un desarrollo de canal anular cuya sección transversal de superficie en al menos una etapa que comprende un rotor y un estator conduce a una relación de contracción de rotor-estator QRS que satisface la ecuación siguiente:
[0.2 + (KT - 0.45)^{0.1}] < QRS < 3.0
en donde QRS se define según la fórmula siguiente:
QRS = KR/KS
\newpage
en donde KT es la contracción total de la etapa, pudiendo QRS y KT determinarse como sigue:
QRS = KR/KS 
\hskip0,4cm
con 
\hskip0,4cm
KR = ARI/ARA
y\ KS = ASI/ASA
KT = ARI/ASA
en donde ARI, ARA, ASI y ASA se calculan como sigue:
ARI = \pi (R_{2}{}^{2} - R_{1}{}^{2})
ARA = \pi (R_{4}{}^{2} - R_{3}{}^{2})
ASI = \pi (R_{6}{}^{2} - R_{5}{}^{2})
ASA = \pi (R_{8}{}^{2} - R_{7}{}^{2})
en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son
R_{1}
el radio en el punto de base, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{2}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
R_{3}
el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
R_{4}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
R_{5}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
R_{6}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
R_{7}
el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator y
R_{8}
el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator.
3. Máquina de trabajo reológico según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por conformación del contorno del cubo o del árbol del rotor.
4. Máquina de trabajo reológico según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por conformación del contorno de la carcasa.
5. Máquina de trabajo reológico según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por medio de una combinación de la conformación del contorno del cubo o del árbol del rotor y del contorno de la carcasa.
6. Máquina de trabajo reológico según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por una etapa que comprende un rotor y un estator.
7. Máquina de trabajo reológico según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por varias etapas que comprenden cada una de ellas un rotor y un estator.
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