ES2292704T3 - Circuito de refrigeracion para alabe de una turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Álabe (1) de turbina de gas de un motor de avión, que comprende en su parte central al menos un primer circuito (A) de refrigeración central que comprende una primera (2) y una segunda (4) cavidades que se extienden radialmente desde el lado (1a) intradós del álabe (1), una cavidad (6) que se extiende desde el lado (1b) extradós del álabe, una abertura (8) de admisión de aire en un extremo radial de la primera cavidad (2) intradós para alimentar al circuito (A) de refrigeración central con aire de refrigeración, un primer canal (10) que hace que se comunique el otro extremo radial de la primera cavidad (2) intradós con un extremo radial contiguo de la cavidad (6) extradós, un segundo canal (12) que hace que se comunique el otro extremo radial de la cavidad (2) extradós con un extremo radial contiguo de la segunda cavidad (4) intradós, y orificios (14) de salida que se abren en la segunda cavidad intradós y que desembocan en la cara (1a) intradós del álabe, caracterizado porque comprende además al menos un circuito (B) de refrigeración trasero independiente del o de los circuito(s) de refrigeración central(es), que comprende al menos una cavidad (16) situada en la parte trasera del álabe (1), una abertura (18) de admisión de aire en un extremo radial de la cavidad (16) para alimentar al circuito (B) de refrigeración trasero, y orificios (20) de salida que se abren en dicha cavidad y desembocan en la cara (1a) intradós del álabe, y al menos un circuito (D) de refrigeración del borde de salida independiente de los circuitos de refrigeración central (A) y trasero (B), que comprende al menos una cavidad (28) situada en las cercanías del borde (1d) de salida del álabe (1), una abertura (30) de admisión de aire en un extremo radial de la cavidad (28) del borde de salida para alimentar al circuito (D) de refrigeración del borde de salida, y orificios (32) de salida que se abren en dicha cavidad del borde de salida y que desembocan en el borde (1d) de salida del álabe.
Description
Circuito de refrigeración para álabe de una
turbina de gas.
El presente invento se refiere a mejoras
aportadas a los álabes de una turbina de gas de motor de avión. Más
concretamente, se dirige a los circuitos de refrigeración de estos
álabes.
Es sabido que los álabes móviles de una turbina
de gas de un motor de avión, y especialmente de la turbina de alta
presión, están sometidos a las muy elevadas temperaturas de los
gases de combustión durante el funcionamiento del motor. Estas
temperaturas alcanzan valores muy superiores a los que pueden
soportar sin daños las diferentes piezas que están en contacto con
estos gases, lo que tiene por consecuencia limitar su vida útil.
Por otra parte, es sabido que un aumento de la
temperatura de los gases de la turbina de alta presión permite
mejorar el rendimiento de un motor y, por tanto, la relación entre
el empuje del motor y el peso de un avión propulsado por este
motor. Por consiguiente, se llevan a cabo esfuerzos con el fin de
fabricar álabes de turbina que puedan resistir temperaturas cada
vez más elevadas.
Con el fin de resolver este problema, es
conocida la técnica de dotar a estos álabes de circuitos de
refrigeración que tienen por objetivo reducir la temperatura de los
mismos. Gracias a tales circuitos, el aire de refrigeración, que se
introduce normalmente en el álabe por su pie, atraviesa dicho álabe
siguiendo una trayectoria formada por cavidades practicadas en el
álabe antes de ser expulsado a través de orificios que se abren en
la superficie del álabe.
Sin embargo, a menudo se observa que las
transferencias térmicas producidas por la circulación de este aire
de refrigeración dentro de las cavidades del álabe no son uniformes
y dan lugar a gradientes de temperatura que penalizan la vida útil
del álabe.
Por otro lado, la evacuación del aire de
refrigeración a través de orificios de salida situados en la cara
extradós es delicada. En efecto, las velocidades presentes en el
extradós del álabe son elevadas, de modo que las pérdidas
resultantes de la mezcla entre el aire de refrigeración y el aire de
flujo son importantes y afectan al rendimiento de la turbina de
gas.
Las publicaciones US 5.165.852 y EP 0 661 414
describen circuitos de refrigeración provistos de cavidades que se
extienden radialmente desde la cara intradós y desde la cara
extradós del álabe.
Así pues, el presente invento tiene por objetivo
paliar tales inconvenientes proponiendo mejoras aportadas a los
álabes de una turbina de gas y, más concretamente, a los circuitos
de refrigeración de estos últimos, para obtener un campo de
temperaturas sensiblemente uniforme a lo largo de las zonas
refrigeradas del álabe eliminando al mismo tiempo los orificios de
salida en la cara extradós.
A tal efecto, se prevé un álabe de turbina de
gas de un motor de avión según la reivindicación 1.
Se pueden colocar varios circuitos de este tipo
en la parte central del álabe para garantizar su refrigeración.
Estos circuitos idénticos y que funcionan de forma similar conducen
a un reparto uniforme de temperatura.
La cavidad que se extiende radialmente desde el
lado del extradós del álabe tiene una relación de forma elevada que
permite aumentar los niveles de transferencia térmica del lado del
extradós. Estas transferencias térmicas, amplificadas por la
presencia de perturbadores, permiten eliminar los orificios de
salida en la cara extradós.
Además, en el caso de un álabe giratorio, al
estar la alimentación del circuito de refrigeración cerca del pie
del álabe, la circulación del aire en dirección radial dentro de las
cavidades intradós se produce desde el pie hacia la cúspide. Por
efecto de la fuerza de Coriolis, el aire tiene tendencia a ser
empujado contra las paredes de las cavidades más próximas a la cara
externa intradós del álabe, garantizando así una mejor
transferencia térmica con la parte más caliente de la pared del
álabe. Dentro de la cavidad extradós, el aire circula desde la
cúspide hacia el pie del álabe. Los efectos de la fuerza de Coriolis
permiten también mejorar la transferencia térmica.
Mas aún, para la fabricación del álabe por
moldeo, los núcleos que reservan las cavidades intradós y la cavidad
extradós se unen entre sí en sus extremos mediante piezas de unión
que reservan los canales entre estas cavidades. Así, la colocación
del núcleo del intradós con respecto al núcleo del extradós se puede
controlar fácilmente, con lo que se consigue un buen respeto de los
espesores de pared durante la colada del álabe.
Según una particularidad del invento, se podrán
prever varios circuitos de refrigeración centrales independientes
con al menos dos cavidades intradós que se comuniquen con al menos
una cavidad extradós.
Otras características y ventajas del presente
invento se harán evidentes a partir de la descripción que se hace
más adelante, en referencia a los dibujos adjuntos que ilustran un
ejemplo de realización desprovisto de todo carácter limitativo. En
las figuras:
- la figura 1 es una vista en sección de un
álabe equipado con diferentes circuitos de refrigeración según una
realización del invento;
- la figura 2 es una vista en sección de la
figura 1 según la dirección II - II;
- las figuras 3a y 3b son vistas en sección de
la figura 1 según las direcciones IIIA - IIIA y IIIB - IIIB
respectivamente; y
- la figura 4 ilustra la circulación del aire de
refrigeración que está asociada a los diferentes circuitos de
refrigeración del álabe de la figura 1.
Si se hace referencia a la figura 1, se ve que
el álabe 1 de una turbina de gas de un motor de avión según una
realización del presente invento comprende principalmente en su
parte central al menos un primer circuito A de refrigeración
central.
Preferentemente, la parte central del álabe 1
comprende dos circuitos A y A' de refrigeración centrales dispuestos
de forma sensiblemente simétrica a ambos lados de un plano P
transversal con el fin de obtener un campo de temperatura
substancialmente uniforme, es decir, sin fuerte gradiente térmico, a
lo largo de las zonas refrigeradas del álabe. Esta característica
permite aumentar la vida útil del álabe.
Cada circuito A y A' de refrigeración central
comprende al menos una primera y una segunda cavidades (2, 2' y 4,
4', respectivamente) que se extienden desde la cara 1a intradós del
álabe 1, y al menos una cavidad 6, 6' que se extiende desde la cara
1b extradós del álabe.
Como se muestra con más detalle en la figura 2,
una abertura 8, 8' de admisión de aire está prevista en un extremo
radial de la primera cavidad 2, 2' intradós (es decir, al nivel del
pie del álabe) para alimentar de aire de refrigeración a cada
circuito A, A' de refrigeración central.
Además, haciendo referencia a las figuras 3a y
3b, se ve que un primer canal 10 hace que se comunique el otro
extremo radial de la primera cavidad 2 intradós (es decir, al nivel
de la cúspide del álabe) con un extremo radial contiguo de la
cavidad 6 extradós del circuito A de refrigeración. Un segundo canal
12 está previsto igualmente al nivel del pie del álabe para hacer
que se comunique el otro extremo radial de la cavidad 6 extradós
con un extremo radial contiguo de la segunda cavidad 4 intradós. Se
realizan conexiones similares entre las cavidades 2', 6' y 4' del
circuito A'.
Finalmente, cada circuito A, A' de refrigeración
central comprende orificios 14, 14' de salida del aire de
refrigeración que se abren en la segunda cavidad 4, 4' intradós y
que desembocan en la cara 1a intradós del álabe 1.
Así, el aire de refrigeración que alimenta a
este o a estos circuito(s) A, A' de refrigeración
central(es) recorre las cavidades 2, 2' y 4, 4' intradós en
una dirección radial opuesta a aquella en la que recorre la cavidad
6, 6' extradós.
Ventajosamente, la cavidad 6, 6' del extradós de
cada circuito A, A' de refrigeración central tiene una relación de
forma elevada de manera que aumentan los intercambios térmicos
internos. Se considera que una cavidad de refrigeración tiene una
relación de forma elevada cuando, en sección transversal, presenta
una dimensión (longitud) al menos tres veces superior a la otra
(anchura).
Todavía ventajosamente, esta misma cavidad
extradós comprende perturbadores 34 sobre su pared externa del lado
extradós, y las cavidades primera y segunda extradós del o de los
circuito(s) A, A' de refrigeración central(es) están
igualmente provistas de perturbadores 36 sobre su pared externa del
lado intradós.
Estos perturbadores 34 y 36 se presentan bajo la
forma de resaltes colocados sobre las paredes de las cavidades,
transversales al flujo del aire de refrigeración. Permiten así
perturbar el flujo del aire que atraviesa estas cavidades y por lo
tanto favorecer las transferencias térmicas beneficiándose al mismo
tiempo de pérdidas de carga optimizadas.
Por otra parte, haciendo todavía referencia a la
figura 1, se ve que el álabe 1 comprende igualmente al menos un
segundo circuito B de refrigeración adicional (llamado circuito de
refrigeración trasero) independiente del o de los
circuito(s) A, A' de refrigeración central(es).
Este segundo circuito B de refrigeración
comprende al menos una cavidad 16, y preferentemente varias, por
ejemplo tres cavidades 16, 16' y 16'', situada(s) en la parte
trasera del álabe 1, una abertura 18 de admisión de aire al nivel
del pie del álabe para alimentar al segundo circuito de
refrigeración, y orificios 20 de salida que desembocan en la cara
1a intradós del álabe. El aire se introduce en la cavidad 16 y unos
canales hacen que se comuniquen las cavidades 16 y 16' en las
cercanías de la cúspide del álabe y las cavidades 16' y 16'' en las
cercanías del pie del álabe. Los orificios 20 de salida se abren en
la cavidad 16''.
De esta manera, este segundo circuito B de
refrigeración permite garantizar la refrigeración de la parte
trasera del álabe 1. Por otra parte, con objeto de mejorar las
transferencias de calor a lo largo de las paredes de los lados
intradós y extradós de las cavidades 16, 16', 16'', éstas comprenden
ventajosamente perturbadores 38 colocados unos frente a otros sobre
sus paredes internas.
Un tercero y un cuarto circuitos de
refrigeración (respectivamente C y D) adicionales (llamados
respectivamente circuito de refrigeración del borde de ataque y
circuito de refrigeración del borde de salida) e independientes de
los primer y segundo circuitos de refrigeración permiten garantizar
la refrigeración del borde 1c de ataque y del borde 1d de salida
del álabe 1 respectivamente.
El tercer circuito C de refrigeración está
constituido por al menos una cavidad 22 situada en las cercanías
del borde 1c de ataque del álabe y por una abertura 24 de admisión
de aire situada en un extremo radial de la cavidad 22 del borde de
ataque, del lado del pie del álabe para alimentar de aire de
refrigeración a este circuito. Unos orificios 26 de salida se abren
en esta cavidad 22 y desembocan en el borde 1c de ataque del álabe.
Estos orificios permiten que se forme una película de aire de
refrigeración sobre la pared exterior del borde de ataque.
Preferentemente, la cavidad 22 del borde de
ataque está provista de perturbadores 40 sobre su pared del lado
del borde de ataque del álabe con el fin de aumentar las
transferencias térmicas a lo largo de esta pared.
El cuarto circuito D de refrigeración está
compuesto por al menos una cavidad 28 situada en el borde 1d de
salida del álabe 1 y una abertura 30 de admisión de aire en un
extremo radial de la cavidad 28 del borde de salida, del lado del
pie del álabe, para alimentar de aire de refrigeración a este
circuito. Unos orificios 32 de salida se abren en esta cavidad del
borde de salida y desembocan en el borde 1d de salida para
garantizar la refrigeración de este
último.
último.
Ventajosamente, la cavidad 28 del borde de
salida de este cuarto circuito de refrigeración comprende
perturbadores 42 sobre sus paredes de los lados intradós y extradós
de manera que se mejoren las transferencias térmicas a lo largo de
estas paredes.
Se describirá brevemente el modo de
refrigeración del álabe que se deriva de forma evidente de lo que
precede, haciendo referencia más en concreto a la figura 4.
Esta figura ilustra esquemáticamente la
circulación del aire de refrigeración que recorre los diferentes
circuitos A a D del álabe 1. Estos cuatro circuitos son
independientes entre sí, puesto que cada uno tiene una alimentación
directa de aire de refrigeración.
El primer circuito A de refrigeración central es
alimentado de aire de refrigeración por la primera cavidad 2
intradós. El aire de refrigeración recorre a continuación la cavidad
6 extradós y después la segunda cavidad 4 intradós antes de ser
expulsado en el intradós del álabe a través de los orificios 14 de
salida que equipan a dicha cavidad.
Cuando se prevén ventajosamente dos circuitos A
y A' de refrigeración centrales, la circulación del aire de
refrigeración dentro del circuito A se efectúa de forma similar.
Así, siguiendo la disposición particular de este
o de estos circuito(s) central(es), el aire de
refrigeración asciende (desde el pie hacia la cúspide del álabe)
dentro de las cavidades intradós y desciende dentro de la cavidad
extradós.
Las circulaciones del aire en sentidos opuestos
desde el lado intradós y desde el lado extradós dentro de los
circuitos A y A', así como la presencia ventajosa de dos circuitos
de refrigeración colocados de forma substancialmente simétrica en
la parte central del álabe, contribuyen a la obtención de un campo
de temperaturas sensiblemente uniforme, es decir, sin fuerte
gradiente térmico. Se aumenta así la vida útil de los álabes.
Por otro lado, el o los circuito(s) A, A'
de refrigeración no presenta(n) salidas de expulsión de aire
en la cara extradós del álabe, lo que evita los problemas de
reparto del aire a velocidades elevadas.
Debido a que el aire de refrigeración circula
desde el pie hacia la cúspide del álabe dentro de las cavidades
intradós, es empujado contra las paredes externas de estas cavidades
por efecto de la fuerza de Coriolis. Se favorecen con ello las
transferencias térmicas a lo largo de estas paredes externas,
garantizando así una mejor refrigeración de la pared externa
caliente del lado intradós del álabe.
Además, el aire de refrigeración desciende
dentro de las cavidades del lado extradós. Los efectos de la fuerza
de Coriolis permiten igualmente beneficiarse de niveles de
transferencias térmicas aumentados, garantizando así una mejor
refrigeración de la pared externa del álabe del lado extradós.
Al estar garantizada la refrigeración del
extradós del álabe por cavidades extradós de relación de forma
elevada, eso permite aumentar los niveles externos de transferencia
térmica, los cuales son además amplificados por la presencia de
perturbadores sobre las paredes externas de las cavidades.
Por otro lado, la parte trasera del álabe 1 es
refrigerada por el segundo circuito B de refrigeración que
comprende ventajosamente tres cavidades 16, 16' y 16''. Como muestra
la figura 4, el aire de refrigeración alimenta a una cavidad 16, un
retorno en la cúspide del álabe reenvía este aire al interior de la
cavidad 16' y posteriormente el aire alimenta a la cavidad 16''
ascendente antes de ser expulsado en el intradós del álabe 1 a
través de los orificios 20 de salida.
La refrigeración del borde 1c de ataque del
álabe 1 está garantizada por la cavidad 22 del borde de ataque
equipada de una alimentación directa de aire de refrigeración, y la
del borde 1d de salida por la cavidad 28 del borde de salida
alimentada igualmente de forma directa de aire de refrigeración.
El álabe 1 según esta realización del invento se
fabrica por moldeo, siendo clásicamente reservados los
emplazamientos de las cavidades por núcleos colocados de forma
paralela entre sí dentro del molde antes de la colada del metal. En
los circuitos A y A', estos núcleos están unidos entre sí en sus
extremos por piezas de unión que reservan los canales entre las
cavidades. Así, se puede controlar con facilidad la colocación de
los núcleos, con lo que se consigue un buen respeto de los
espesores de pared durante la colada del álabe.
Resulta bien claro que el presente invento no
está limitado a los ejemplos de realización descritos anteriormente,
sino que engloba a todas las variantes. Principalmente, circuitos
de refrigeración de este tipo pueden ser instalados en álabes tanto
móviles como fijos.
Claims (10)
1. Álabe (1) de turbina de gas de un motor de
avión, que comprende en su parte central al menos un primer
circuito (A) de refrigeración central que comprende una primera (2)
y una segunda (4) cavidades que se extienden radialmente desde el
lado (1a) intradós del álabe (1), una cavidad (6) que se extiende
desde el lado (1b) extradós del álabe, una abertura (8) de admisión
de aire en un extremo radial de la primera cavidad (2) intradós
para alimentar al circuito (A) de refrigeración central con aire de
refrigeración, un primer canal (10) que hace que se comunique el
otro extremo radial de la primera cavidad (2) intradós con un
extremo radial contiguo de la cavidad (6) extradós, un segundo
canal (12) que hace que se comunique el otro extremo radial de la
cavidad (2) extradós con un extremo radial contiguo de la segunda
cavidad (4) intradós, y orificios (14) de salida que se abren en la
segunda cavidad intradós y que desembocan en la cara (1a) intradós
del álabe, caracterizado porque comprende además al menos un
circuito (B) de refrigeración trasero independiente del o de los
circuito(s) de refrigeración central(es), que
comprende al menos una cavidad (16) situada en la parte trasera del
álabe (1), una abertura (18) de admisión de aire en un extremo
radial de la cavidad (16) para alimentar al circuito (B) de
refrigeración trasero, y orificios (20) de salida que se abren en
dicha cavidad y desembocan en la cara (1a) intradós del álabe, y al
menos un circuito (D) de refrigeración del borde de salida
independiente de los circuitos de refrigeración central (A) y
trasero (B), que comprende al menos una cavidad (28) situada en las
cercanías del borde (1d) de salida del álabe (1), una abertura (30)
de admisión de aire en un extremo radial de la cavidad (28) del
borde de salida para alimentar al circuito (D) de refrigeración del
borde de salida, y orificios (32) de salida que se abren en dicha
cavidad del borde de salida y que desembocan en el borde (1d) de
salida del álabe.
2. Álabe según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende además al menos un circuito
(C) de refrigeración del borde de ataque independiente de los
circuitos de refrigeración central (A), trasero (B) y del borde de
salida (D), que comprende al menos una cavidad (22) situada en las
cercanías del borde (1c) de ataque del álabe (1), una abertura (24)
de admisión de aire en un extremo radial de la cavidad (22) del
borde de ataque para alimentar al circuito (C) de refrigeración del
borde de ataque, y orificios (26) de salida que se abren en dicha
cavidad del borde de ataque y que desembocan en el borde (1c) de
ataque del álabe.
3. Álabe según la reivindicación 2,
caracterizado porque la cavidad (22) del borde de ataque del
circuito (C) de refrigeración del borde de ataque comprende
perturbadores (40) sobre su pared del lado del borde (1c) de ataque
del álabe (1) de manera que se aumenten las transferencias térmicas
a lo largo de esta pared.
4. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cavidad
(6) extradós del circuito (A) de refrigeración central es de
relación de forma elevada de manera que se aumenten las
transferencias térmicas internas.
5. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cavidad
(6) extradós del circuito (A) de refrigeración central comprende
perturbadores (34) sobre su pared externa del lado extradós de
manera que se aumenten las transferencias térmicas a lo largo de
esta pared beneficiándose al mismo tiempo de pérdidas de carga
optimizadas.
6. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las
primera (2) y segunda (4) cavidades intradós del circuito (A) de
refrigeración central comprenden perturbadores (36) sobre sus
paredes externas del lado intradós de manera que se aumenten las
transferencias térmicas a lo largo de estas paredes manteniendo al
mismo tiempo pérdidas de carga optimizadas.
7. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cavidad
(16) del circuito (B) de refrigeración trasero comprende
perturbadores (38) colocados unos frente a otros sobre sus paredes
de los lados intradós y extradós de manera que se mejoren las
transferencias térmicas a lo largo de estas paredes.
8. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cavidad
(28) del borde de salida del circuito (D) de refrigeración del
borde de salida comprende perturbadores (42) sobre sus paredes de
los lados intradós y extradós de manera que se aumenten las
transferencias térmicas a lo largo de estas paredes.
9. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende
al menos dos circuitos (A, A') de refrigeración centrales
substancialmente simétricos de forma que se obtenga un campo de
temperaturas sensiblemente uniforme en la parte central del álabe
(1).
10. Álabe según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se fabrica
por moldeo, siendo reservados los emplazamientos de las cavidades
intradós y extradós por núcleos colocados de forma paralela y
unidos entre sí en sus extremos con el fin de reservar canales entre
las cavidades y garantizar una colocación controlada de los núcleos
entre sí.
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