ES2287415T3 - Alabes guia de entrada variables para variar el flujo de aire de entrada de un motor de turbina de gas. - Google Patents

Alabes guia de entrada variables para variar el flujo de aire de entrada de un motor de turbina de gas. Download PDF

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Alan Glen Turner
Carol Vaczy Wallis
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Abstract

Un procedimiento para ensamblar la estructura frontal de un ventilador articulado (12) para un motor de turbina de gas (10), comprendiendo dicho procedimiento: la formación de un montante (60) que incluye un par de paredes laterales (74) conectadas en un borde de ataque (76) y un borde de salida (78); y la formación de una aleta (62) que incluye una primera pared lateral (130) y una segunda pared lateral (132) conectadas en un borde de ataque (82) y un borde de salida (84), y que se extienden en una envergadura radial entre una pared terminal de raíz (86) y una pared terminal de punta (88), de tal modo que al menos una de la primera pared lateral y la segunda pared lateral define un paso orientado hacia delante durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor, en la que cada pared terminal (86, 88) se extiende entre las paredes laterales primera (130) y segunda (132), y en la que al menos una de la pared terminal de raíz (86) y la pared terminal de punta (88) está contorneada enuna dirección radial que se extiende entre el borde de ataque y de salida (82, 84) de la aleta; y el acoplamiento giratorio de la aleta aguas abajo del montante de tal modo que se define un espacio (120) entre la aleta y el montante.

Description

Álabes guía de entrada variables para variar el flujo de aire de entrada de un motor de turbina de gas.
Esta invención se refiere generalmente a las estructuras frontales de motores de turbinas de gas y más especialmente a las estructuras frontales de ventiladores articulados para motores de turbinas de gas.
Los motores de turbinas de gas incluyen una estructura frontal de ventilador que canaliza el flujo de aire que entra en el motor de la turbina aguas abajo hacia dentro del motor de núcleo. Al menos algunos motores de turbinas de gas conocidos incluyen ensamblajes de álabes guía de entrada articulados que se extienden sustancialmente de forma circunferencial dentro del motor. Cada ensamblaje de álabes guía de entrada incluye un montante fijo y una aleta variable que está acoplada aguas abajo del montante (véanse los documentos FR-2526485, US-4741665, FR-2599086, US-6045325, US-4972671).
Las aletas pueden posicionarse de forma variable durante el funcionamiento del motor para facilitar la mejora del rendimiento del motor durante un amplio intervalo de los funcionamientos del motor. Más específicamente, debido a que el motor es operado en condiciones operativas de diseño, las aletas están alineadas generalmente de forma axial respecto a cada montante respectivo. Una orientación de las aletas es determinada por el diseño del motor y las condiciones en las que el motor es operado. Durante las condiciones del motor operativas fuera de diseño, las aletas son rotadas a una posición cerrada para controlar selectivamente un ángulo en el que el flujo de aire entrante choca con una primera fila de paletas de un compresor aguas abajo.
Para facilitar la optimización de la eficiencia y la estabilidad operativas del motor, es importante que se produzca una transición de flujo de aire suave por el ensamblaje de los álabes guía de entrada e inmediatamente aguas abajo del mismo en todas las condiciones operativas del motor. Sin embargo, en al menos algunos ensamblajes de álabes guía de entrada conocidos, ciertas orientaciones rotacionales de la aleta pueden generar turbulencia en el flujo de aire aguas abajo de la aleta. Tal turbulencia puede causar una vibración de las paletas del rotor no integral conocida como "fluctuación" y/o esfuerzos del perfil aerodinámico altos en las paletas del ventilador inmediatamente aguas abajo de los álabes guía de entrada. Más específicamente, el aire que fluye más allá de un ensamblaje de álabes guía de entrada tiene una tendencia a fluir desde un lado de presión de las aletas hasta un lado de succión de las aletas. El flujo de aire entre el montante y la aleta puede causar la separación del flujo de aire del lado de succión del ensamblaje de los álabes guía de entrada, que puede introducir turbulencia en el flujo de aire que entra en las paletas del ventilador. El funcionamiento del motor continuado con fluctuación puede dañar una paleta del ventilador, acortar su vida útil, o limitar el funcionamiento del motor.
En un aspecto, se proporciona un procedimiento para ensamblar la estructura frontal de un ventilador articulado para un motor de turbina de gas según la reivindicación 1.
En otro aspecto, se proporciona el ensamblaje de la estructura frontal de un ventilador para un motor de turbina de gas según la reivindicación 5.
En un aspecto adicional, se proporciona un motor de turbina de gas que puede funcionar entre condiciones de diseño y fuera de diseño según la reivindicación 8.
La invención se describirá ahora en mayor detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que:
la fig. 1 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas que incluye un ensamblaje de álabes guía de entrada;
la fig. 2 es una vista lateral a escala ampliada del ensamblaje de los álabes guía de entrada mostrado en la fig. 1;
la fig. 3 es una vista esquemática en sección transversal del ensamblaje de los álabes guía de entrada mostrado en la fig. 2 en un ajuste de diseño;
la fig. 4 es una vista esquemática en sección transversal del ensamblaje de los álabes guía de entrada mostrado en la fig. 2 en un ajuste fuera de diseño;
la fig. 5 es una vista a escala ampliada del ensamblaje de los álabes guía de entrada mostrado en la fig. 4 tomada a lo largo del área 5.
La fig. 1 es una ilustración esquemática de un motor de turbina de gas 10 que incluye un ensamblaje de ventilador 12, un compresor de alta presión 14 y una cámara de combustión 16. En una forma de realización, el motor 10 es un motor F110 de General Electric Company, Cincinnati, Ohio disponible en el mercado. El motor 10 también incluye una turbina de alta presión 18 y una turbina de baja presión 20, todo dispuesto en una relación de flujo axial en serie. El ensamblaje del ventilador 12 y la turbina 20 se acoplan mediante un primer árbol 24, y un compresor 14 y una turbina 18 se acoplan mediante un segundo árbol 26.
El motor 10 también incluye una estructura anular 40 que soporta un rodamiento (no mostrado) que, a su vez, soporta un extremo de un árbol, como el árbol 24, para permitir la rotación del mismo. Una pluralidad de ensamblajes de álabes guía de entrada separados circunferencialmente 42 se extienden entre un anillo de carcasa estructural exterior (no mostrado en la fig. 1) y un cubo central 44 y dirigen el flujo de aire que entra en el motor 10 aguas abajo al compresor 14.
En funcionamiento, el aire fluye por los ensamblajes de los álabes guía de entrada 42 y por el ensamblaje del ventilador 12, de tal modo que el aire comprimido es suministrado desde el ensamblaje del ventilador 12 hasta el compresor de alta presión 14. El aire altamente comprimido es entregado a la cámara de combustión 16. El flujo de aire de la cámara de combustión 16 acciona las turbinas rotatorias 18 y 20 y sale del motor de la turbina de gas 10. El motor 10 puede funcionar en un intervalo de condiciones operativas entre condiciones operativas de diseño y condiciones operativas fuera de diseño.
La fig. 2 es una vista lateral a escala ampliada de un ensamblaje de álabes guía de entrada 42 montado dentro del motor 10. Más específicamente, el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 está posicionado dentro de una entrada 46 del motor 10. La entrada del motor 10 incluye un refuerzo interior 46 adyacente al cubo central del motor 46, y una carcasa exterior anular 50. La carcasa exterior 50 está radialmente hacia fuera desde el refuerzo interior 26 de tal modo que una trayectoria de flujo de aire 54 se define entre ellos. Una pluralidad de ensamblajes de álabes guía de entrada 42 se extienden radialmente por la trayectoria de flujo 54 desde el cubo 46 hasta la carcasa 50. En la forma de realización ejemplar, la carcasa exterior 50 es no plana y contorneada adyacente a los ensamblajes de los álabes guía de entrada 42. Más específicamente, en la forma de realización ejemplar, la carcasa exterior 50 está contorneada con un radio continuo de tal modo que una trayectoria de flujo sustancialmente esférica se define por el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42. En otra forma de realización, el cubo 46 también está contorneado adyacente a los ensamblajes de los álabes guía de entrada 42.
Cada ensamblaje de álabes guía de entrada 42 incluye tanto un perfil aerodinámico de montante 60 como un perfil aerodinámico de aleta 62. Los montantes 60 están separados alrededor de una circunferencia del cubo 46 y soportan estructuralmente la carcasa anular 50 en relación separada al cubo 46. Como consecuencia, cada montante 60 se asegura fijamente al cubo 46 y la carcasa 50. Los montantes 60, descritos en más detalle a continuación, tienen un diseño aerodinámico para desviar el aire que entra en la entrada del motor 46 alrededor del montante 60 hacia los perfiles aerodinámicos de aleta 62. Cada montante 60 tiene un extremo de raíz de montante 70 acoplado al cubo 46 y un extremo de punta 72 que está en relación separada radial al extremo de raíz 70 y acoplado a la carcasa exterior 50. Adicionalmente, cada montante 60 incluye un par de paredes laterales 74 que están conectadas en un borde de ataque 76 y un borde de salida 78. El borde de salida 78 está aguas abajo y separado axialmente del borde de ataque 76.
Los perfiles aerodinámicos de aleta 62, denominadas en este documento 62, están inmediatamente aguas abajo de cada montante 62, y cada una incluye un par de paredes laterales 80 conectadas en un borde de ataque 82 y en un borde de salida 84 separados axialmente aguas abajo. Cada pared lateral 80 se extiende en una envergadura radial entre una pared terminal de raíz 86 y una pared terminal de punta 88. Las paredes terminales 86 y 88 se extienden entre los bordes de ataque y de salida 82 y 84, respectivamente, y entre las paredes laterales 80 de la aleta.
Las aletas 62 están acopladas de forma giratoria dentro del ensamblaje de las guías de entrada 42 y son rotativas sobre un eje de referencia 90 que se extiende por un husillo 92. El eje de referencia 90 es conocido como un "eje de muñones", y está fijo con relación a cada montante 60. Más específicamente, cada ubicación de husillo se selecciona para facilitar la optimización de un espacio (no mostrado en la fig. 2) entre cada montante 60 y aleta 62 respectivos. Como tal, el borde de ataque 82 está en una relación separada con un borde de salida 78 de cada montante 60 inmediatamente aguas arriba del mismo.
Las aletas 62, como se describe en más detalle a continuación, se pueden posicionar de forma selectiva durante el funcionamiento del motor para variar un ángulo de choque del flujo de aire dirigido aguas abajo a una primera etapa (no mostrada) de un ensamblaje de ventilador, como el ensamblaje del ventilador 12 mostrado en la fig. 1. La pared terminal de raíz 86 de la aleta está adyacente al cubo 46, y la pared terminal de punta 88 está adyacente a la carcasa exterior 50. Como consecuencia, un primer espacio 94 se define entre la pared terminal de punta 88 y la carcasa exterior 50, y un segundo espacio 96 se define entre la pared terminal de raíz 86 y el cubo 46.
En la forma de realización ejemplar, la pared terminal de punta 88 está arqueada entre los bordes de ataque y de salida de la aleta 82 y 84, respectivamente. Más específicamente, la pared terminal de punta 88 está radialmente contorneada entre los bordes 82 y 84 de la aleta de tal modo que un contorno de la pared terminal de punta 88 refleja sustancialmente un contorno de la carcasa exterior 50 adyacente a los ensamblajes de los álabes guía de entrada 42. En una forma de realización alternativa, la pared terminal de raíz 86 está contorneada en una dirección radial entre los bordes 82 y 84 de la aleta y refleja sustancialmente un contorno del cubo 46 adyacente a los ensamblajes de los álabes guía de entrada 42. Como consecuencia, cuando la aleta 62 está acoplada de forma giratoria respecto al montante 60, el contorno de la pared terminal de punta 88 de la aleta facilita la reducción del espacio 94 de flujo de aire en comparación con las paredes terminales de la aleta conocidas que no están contorneadas. Más específicamente, la pared terminal de punta 88 de la aleta del motor facilita la reducción de las holguras de la pared terminal por encima de una porción más cargada de la aleta 62 durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor.
La fig. 3 es una vista esquemática en sección transversal de un ensamblaje de álabes guía de entrada 42 mostrado en una posición completamente abierta 100 durante las condiciones operativas de diseño del motor. La fig. 4 es una vista esquemática en sección transversal de un ensamblaje de álabes guía de entrada 42 mostrado en una posición completamente cerrada 102 durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor. La fig. 5 es una vista a escala ampliada del ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 tomada a lo largo del área 5 (mostrada en la fig. 4). En la forma de realización ejemplar, el montante 60 es simétrico e incluye un eje de simetría 110 que se extiende entre los bordes de ataque y de salida del montante. Específicamente, las paredes terminales del montante 74 son idénticas y están conectadas simétricamente en los bordes de ataque y de salida 76 y 78, respectivamente. Más específicamente, una primera pared lateral 112 define un lado de presión del montante 60, y una segunda pared lateral 114 define un lado de succión del montante 60. El borde de salida del montante 78 está rebajado respecto a las paredes laterales 74, de tal modo que las paredes laterales 74 se extienden de hecho aguas abajo del borde de salida 78.
La aleta 62 del ensamblaje de los álabes guía de entrada está posicionada inmediatamente aguas abajo del montante 60 de tal modo que un espacio de montante-aleta 120 se define entre la aleta 62 y el montante 60. Más específicamente, durante el ensamblaje, los montantes 60 son medidos para la posición verdadera respecto al motor 10 (mostrado en las figs. 1 y 2) y una ubicación para el husillo 92 de la aleta es determinada y seleccionada para facilitar el posicionamiento de montante/aleta correcto, y para optimizar el espacio de montante-aleta 120. Más específicamente, la aleta 60 incluye una línea media 122 que se extiende entre los bordes de ataque y de salida de la aleta 82 y 84, respectivamente. La aleta 62 está posicionada respecto al montante 60 de tal modo que durante las condiciones operativas de diseño del motor, cuando el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 está en la posición 100, la línea media 122 de la aleta se extiende generalmente de forma colineal y axial respecto al eje del montante de simetría 110.
Las paredes laterales 80 de la aleta se conectan en los bordes de ataque y de salida 82 y 84, respectivamente. Más específicamente, la aleta 62 incluye una primera pared lateral 130 que define un lado de presión de la aleta 62, y una segunda pared lateral 132 que define un lado de succión de la aleta 62. Cada aleta 62 también tiene un grosor 134 medido entre las paredes laterales 130 y 132, y variable a lo largo de la línea media 122 de la aleta. Un grosor del borde de ataque 136 de la aleta es mayor que un grosor máximo 138 del montante 60 medido entre las paredes laterales del montante 74.
Las paredes laterales 80 de la aleta están arqueadas entre los bordes de ataque y de salida 82 y 84, respectivamente. Más específicamente, las paredes laterales 80 de la aleta definen una curvatura para la aleta 62 que facilita el control de la aceleración del flujo de aire alrededor del borde de ataque 82 de la aleta. Asimismo, la curvatura de la aleta también facilita la reducción de un torbellino de salida del flujo de aire dirigido aguas abajo de la aleta 62. Además, la curvatura de la aleta también facilita la reducción de la separación del flujo de aire de la aleta 62 durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor. Más específicamente, la curvatura de la aleta facilita la reducción de la carga del perfil aerodinámico de aleta para retrasar el comienzo de la separación del flujo de aire, reduciendo así las intensidades de la estela en una posición dada del ensamblaje de los álabes guía de entrada.
La combinación de la curvatura de la aleta, la posición relativa de la aleta 62 respecto al montante 60, y el grosor del borde de ataque 136 de la aleta permite que la aleta 62 defina un paso orientado hacia delante 140 a lo largo del lado de succión 132 de la aleta durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor. Más específicamente, cuando la aleta 62 es pivotada durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor, el paso del lado de succión 140 se extiende tangencialmente hacia fuera en una dirección circunferencial desde la pared lateral de succión 114 del montante y hacia dentro del flujo de aire. Asimismo, el paso del lado de succión 140 también facilita la reducción de flujo cruzado desde el lado de presión hasta el lado de succión de la aleta 62 por el espacio 120.
Durante funcionamiento de diseño del motor, el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 está posicionado en la posición 100. El diseño simétrico del montante 60 facilita la reducción de los gradientes de presión de presión-succión y de las influencias de flujo cruzado a través del espacio 120. Asimismo, la posición relativa de la aleta 62 respecto al montante 60, y la curvatura de la aleta 62 facilitan la reducción de la separación del flujo de aire por el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 y el aumento de un área de flujo por el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42. Como resultado, se facilita el aumento del rendimiento del motor durante las condiciones operativas de diseño del motor.
Durante funcionamientos fuera de diseño del motor, el ensamblaje de los álabes guía de entrada 42 está posicionado en la posición 102. El grosor 136 del borde de ataque de la aleta y el paso del lado de succión 140 de la aleta facilitan la reducción de flujo cruzado del flujo de aire por el espacio 120. A medida que se reduce el flujo cruzado por el espacio 120, también se reducen las tendencias de separación del flujo de aire a través de la aleta 62. Como consecuencia, se facilita la mejora del rendimiento del motor, mientras que se facilita la reducción de las intensidades de la estela aguas abajo del ensamblaje de los álabes guía de entrada 42. Asimismo, debido a que la pared terminal 88 de la aleta (mostrada en la fig. 2) está contorneada para reflejar sustancialmente la de la carcasa 50 (mostrada en la fig. 2), el espacio de la holgura de la pared terminal a la carcasa 94 durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor. Como consecuencia, la aleta 62 facilita la reducción de la carga de la aleta durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor.
El ensamblaje de álabes guía de entrada descrito anteriormente es rentable y altamente fiable. El ensamblaje de los álabes guía de entrada articulados incluye un montante fijo y una aleta variable. La aleta está posicionada aguas abajo del montante y tiene un diseño curvado que permite que una porción del lado de succión de la aleta defina un paso orientado hacia delante durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor. El paso orientado hacia delante facilita la reducción de la carga de la aleta y de la separación del perfil aerodinámico a través de la aleta. El paso orientado hacia delante también facilita la reducción de flujo cruzado por el espacio entre el montante y la aleta, de tal modo que se facilita la reducción de la intensidad de la estela aguas abajo durante los funcionamientos fuera de diseño del motor. Asimismo, durante los funcionamientos de diseño del motor, la posición relativa de la aleta respecto al montante facilita la reducción de un torbellino de salida del flujo de aire dirigido aguas abajo del ensamblaje de los álabes guía de entrada, y también facilita el aumento de una sección transversal de flujo de aire por el ensamblaje de los álabes guía de entrada. Como resultado, el ensamblaje de los álabes guía de entrada facilita la mejora del rendimiento del motor, durante las condiciones operativas de diseño y fuera de diseño del motor de una manera rentable y fiable.

Claims (10)

1. Un procedimiento para ensamblar la estructura frontal de un ventilador articulado (12) para un motor de turbina de gas (10), comprendiendo dicho procedimiento:
la formación de un montante (60) que incluye un par de paredes laterales (74) conectadas en un borde de ataque (76) y un borde de salida (78); y la formación de una aleta (62) que incluye una primera pared lateral (130) y una segunda pared lateral (132) conectadas en un borde de ataque (82) y un borde de salida (84), y que se extienden en una envergadura radial entre una pared terminal de raíz (86) y una pared terminal de punta (88), de tal modo que al menos una de la primera pared lateral y la segunda pared lateral define un paso orientado hacia delante durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor, en la que cada pared terminal (86, 88) se extiende entre las paredes laterales primera (130) y segunda (132), y en la que al menos una de la pared terminal de raíz (86) y la pared terminal de punta (88) está contorneada en una dirección radial que se extiende entre el borde de ataque y de salida (82, 84) de la aleta; y
el acoplamiento giratorio de la aleta aguas abajo del montante de tal modo que se define un espacio (120) entre la aleta y el montante.
2. Un procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 1 en el que la formación de un montante (60) comprende además la formación de un montante simétrico.
3. Un procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 1 ó 2 en el que el motor (10) incluye una carcasa exterior y un cubo central (44), configurados el montante (60) y la aleta (62) para extenderse entre el mismos, la formación de la aleta comprende además el contorneado de la pared terminal de punta (88) de la aleta en una dirección radial de tal modo que un contorno a lo largo de la pared terminal de punta de la aleta es sustancialmente la cara especular de la carcasa exterior del motor.
4. Un procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 1, 2 ó 3 en el que la formación de una aleta (62) comprende además la formación de una aleta de tal modo que un lado de succión de la aleta define un paso orientado hacia delante (140) durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor que está configurado para facilitar la reducción de flujo cruzado del flujo de aire desde un lado de presión de la aleta hasta el lado de succión de la aleta.
5. Un ensamblaje (12) de estructura frontal de un ventilador para un motor de turbina de gas (10), comprendiendo dicho ensamblaje de la estructura frontal del ventilador al menos un subensamblaje de álabes guía de entrada articulados (42) que comprende un montante (60) y una aleta (62) aguas abajo de dicho montante, al menos uno de dicho montante y dicha aleta posicionado variable durante el funcionamiento del motor, comprendiendo dicha aleta (62) una primera pared lateral (130) y una segunda pared lateral (132) conectadas en un borde de ataque (82) y un borde de salida (84), y extendiéndose en una envergadura radial entre una pared terminal de raíz (86) y una pared terminal de punta (88), extendiéndose cada una de dicha pared (86, 88) entre dichas paredes laterales primera (130) y segunda (132), al menos una de dicha pared terminal de raíz (86) y dicha pared terminal de punta (88) está arqueada radialmente entre dichos bordes de ataque y de salida (82, 84) de la aleta; dicha primera pared lateral de la aleta define (130) un lado de succión de dicha aleta (62); dicha segunda pared lateral (132) de la aleta define un lado de presión de dicha aleta (62); comprendiendo dicho montante (60) una primera pared lateral (112) que define un lado de presión de dicho montante (60) y una segunda pared lateral (114) que define un lado de succión de dicho montante, estando configurado dicho lado de succión (132) de la aleta para definir un paso orientado hacia delante durante las condiciones operativas fuera de diseño del motor.
6. Un ensamblaje (12) de estructura frontal de un ventilador de acuerdo con la Reivindicación 5 en el que dicho montante (60) es simétrico.
7. Un ensamblaje (12) de estructura frontal de un ventilador de acuerdo con la Reivindicación 5 ó 6 en el que dicha aleta (62) está acoplada de forma giratoria dentro de dicho subensamblaje de álabes guía de entrada (42) y movible durante los funcionamientos del motor.
8. Un motor de turbina de gas (10) que puede funcionar entre las condiciones de diseño y fuera de diseño, comprendiendo dicho motor un ensamblaje (12) de estructura frontal de un ventilador de acuerdo con la reivindicación 5, estando configurado el al menos un subensamblaje de álabes guía de entrada articulados (42) para canalizar el flujo de aire que entra en dicho motor corriente abajo.
9. Un motor de turbina de gas (10) de acuerdo con la Reivindicación 8 en el que dicho montante (60) del subensamblaje de álabes guía de entrada (42) comprende un lado de presión y un lado de succión conectados en un borde de ataque (80) y un borde de salida (82), y un eje de simetría (110) que se extiende entre dichos bordes de ataque y de salida del montante.
10. Un motor de turbina de gas (10) de acuerdo con la Reivindicación 9 en el que dicho par de paredes laterales (80) de la aleta (62) del subensamblaje de álabes guía de entrada (42) definen un lado de presión y un lado de succión de dicha aleta, configurado dicho lado de succión de la aleta para facilitar la reducción de la separación del flujo de aire de dicha aleta durante el funcionamiento del motor.
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