ES2294996T3 - Alabe de estator. - Google Patents

Abstract

Un álabe (18) del estator de compresor que comprende unos lados de presión y aspiración (20, 22) que se extiende de forma cordada entre los bordes de ataque y trasero (24, 26), y caracterizado por un borde de ataque escotado (24) con un estrechamiento (36) de cuerda mínimo dispuesto longitudinalmente entre una raíz (28) y una punta (30) y un borde trasero (26) curvado ortogonalmente hacia dicho borde de ataque.

Description

Álabe de estator.

La presente invención se refiere en general al campo de los motores con turbina de gas, y, más concretamente al campo de los compresores o ventiladores situados en su interior.

En un motor de avión con turbina de gas con turboventilador, el aire es presurizado en un ventilador y un compresor durante su funcionamiento. El aire del ventilador es utilizado para propulsar una aeronave en vuelo. El aire canalizado a través del compresor es mezclado con el combustible en un quemador e inflamado por los gases de combustión calientes generados que fluyen a través de las etapas de la turbina que extraen la energía para dar potencia al ventilador y al compresor.

Un motor con turboventilador típico incluye un compresor de flujo axial multigradual que presuriza el aire de forma secuencial para producir un aire a gran presión para la combustión. El aire comprimido se dispersa y desacelera a medida que es comprimido. Los álabes aerodinámicos del compresor deben, por consiguiente, estar diseñadas para reducir la separación indeseable del flujo, lo que afectaría negativamente al margen de entrada en pérdida y a la eficiencia.

A la inversa, los gases de combustión son acelerados a través de las etapas de la turbina y los álabes de la turbina tienen diferentes diseños aerodinámicos para potenciar la eficacia de la extracción de energía.

Fundamental para el diseño del compresor es la eficiencia en la compresión del aire con un margen de entrada en pérdida suficiente con relación a la totalidad de las fases de vuelo, desde el despegue, pasando por el vuelo en crucero, hasta el aterrizaje.

Sin embargo, la eficiencia del compresor y el margen de sustentación por lo general están inversamente relacionados, de forma que un incremento de la eficiencia típicamente se corresponde con una reducción del margen de entrada en pérdida. Las exigencias opuestas de margen de entrada en pérdida y eficiencia son particularmente exigentes en aplicaciones de motores militares de alto rendimiento, frente a las menores exigencias de las aplicaciones comerciales, las cuales requieren un alto nivel de margen de entrada en pérdida típicamente a expensas de la eficiencia del compresor.

La potenciación de la eficiencia de los perfiles de ala se lleva básicamente a cabo optimizando las distribuciones de la velocidad sobre los lados de presión y aspiración del perfil de ala. Sin embargo, la eficiencia resulta típicamente limitada en el diseño de compresor convencional por la necesidad de un margen de entrada en pérdida apropiado. Cualquier incremento adicional de la eficiencia típicamente da como resultado una reducción en el margen de entrada en pérdida, y, a la inversa, un incremento adicional en el margen de entrada en pérdida da como resultado una reducción de la eficiencia.

Una eficiencia elevada se obtiene típicamente reduciendo al mínimo el área superficial mojada de los perfiles de ala para una etapa determinada para reducir en la medida correspondiente la resistencia aerodinámica de los perfiles de ala. Esto se consigue típicamente reduciendo la solidez de los perfiles de ala o la densidad de los perfiles de ala alrededor de la circunferencia de un disco de rotor, o incrementando la relación del aspecto del perfil de ala de la cuerda con respecto a las longitudes de la envergadura.

Para una velocidad determinada del rotor, el incremento de la eficiencia reduce el margen de entrada en pérdida. Para conseguir unos niveles elevados de margen de entrada en pérdida, puede utilizarse un nivel de solidez mayor que el óptimo, combinado con un diseño de los perfiles de ala con unos ángulos de incidencia por debajo del óptimo. Ello reduce la eficiencia del compresor de flujo axial.

Un margen de entrada en pérdida incrementado puede también obtenerse incrementando la velocidad del rotor, pero esto, a su vez, reduce la eficiencia al incrementar los números de Mach de los perfiles de ala, lo que incrementa la resistencia aerodinámica de los perfiles de ala.

El rendimiento del compresor resulta también afectado por la cooperación de los álabes del rotor del compresor y de los álabes del estator. Una fila de álabes se extiende radialmente hacia fuera desde un disco de soporte del rotor y rota durante su funcionamiento dentro de una envuelta que rodea el estator. Una fila correspondiente de álabes del estator está dispuesta directamente corriente arriba de los álabes para controlar el flujo de aire entrante.

Los álabes del estator típicamente tienen unas puntas radialmente hacia fuera montadas en una banda exterior anular, y unos pies radialmente hacia dentro pertinentemente montados en una banda radialmente hacia dentro que típicamente soporta una junta de estanqueidad interior. Dicho montaje típicamente se lleva a cabo perforando los álabes individuales al penetrar en unas aberturas complementarias existentes en las bandas, y fijando las paletas a aquéllas mediante cobresoldadura o soldeo, por ejemplo. Las paletas individuales son típicamente rectas y rígidas para soportar este procedimiento de fabricación sin distorsión.

Sin embargo, los álabes típicos tienen unos perfiles radiales relativamente uniformes desde la raíz a la punta y limitan la eficiencia del funcionamiento y del margen de entrada en pérdida. Las bandas definen unas paredes terminales a lo largo de las cuales se forman durante su accionamiento unas capas limítrofes de aire, afectando a su rendimiento. La carga aerodinámica o de difusión de las paletas es mayor cerca de las paredes terminales que en las zonas del centro de salida del ala de los álabes, y las zonas de contacto de las paredes terminales de los álabes están sometidas a una separación de flujo a lo largo de los lados de aspiración de los álabes cerca de los bordes traseros cuando el aire se difunde durante su funciona-
miento.

El documento US 5,246,339 divulga un álabe de guía para un ventilador axial.

El documento US 5,249,922 divulga un aparato de un álabe fijo para una turbina de flujo axial.

De acuerdo con ello, el diseño de compresor típico necesariamente exige un compromiso entre la eficiencia y el margen de entrada en pérdida, favoreciendo al uno o al otro, y las diferencias de los diseños de los álabes y las paletas complican adicionalmente el diseño del compresor. Por consiguiente, se desea mejorar en mayor medida tanto la eficiencia del compresor como el margen de entrada en pérdida potenciando el rendimiento de los álabes del compresor y mejorando la cooperación con los álabes correspondientes del compresor.

En las reivindicaciones adjuntas se definen diversos aspectos y formas de realización de la invención.

La invención, de acuerdo con formas de realización preferentes y ejemplares, junto con objetos y ventajas adicionales de aquélla, se describe con mayor detalle en la descripción detallada subsecuente tomada en combinación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 es una vista en sección axial tomada a través de una porción de un compresor de un motor con turbina de combustión interna que incluye una fila de paletas del estator dispuestas axialmente entre unas filas correspondientes de álabes del rotor de acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente invención.

La Figura 2 es una vista en sección radial tomada a través de una de los álabes del compresor ilustrados en la Figura 2 y tomada a lo largo de la línea 2-2.

La Figura 3 es una vista en alzado lateral, axial, como la Figura 1, de las paletas del compresor de acuerdo con una forma de realización alternativa de la presente invención.

La Figura 4 es una vista isométrica, encarada corriente arriba de tres álabes adyacentes del compresor montados en unas bandas interior y exterior radialmente correspondientes y tomada genéricamente a lo largo de la línea 4-4 de la Figura 1.

La Figura 1, ilustrada en una vista en alzado lateral, es una porción de un compresor 10 de un motor con turbina de gas configurada para canalizar y presurizar el aire 12. El compresor es asimétrico alrededor de un eje de una línea central axial 14 e incluye múltiples grapas axiales de unos álabes 16 del rotor correspondientes que se extienden radialmente hacia fuera desde los correspondientes rotores en forma de discos separados o elementos integrales, o tambores anulares de cualquier forma convencional.

Cooperando con cada fase de rotor se encuentra un estator correspondiente del compresor que tiene una pluralidad de álabes 18 del estator separadas en círculo a intervalos regulares. El álabe 16 y los álabes 18 definen unos perfiles de ala que tienen unos perfiles o contornos aerodinámicos correspondientes para presurizar el aire 12 sucesivamente en fases axiales. En funcionamiento, la presión del aire se incrementa a medida que el aire se desacelera y difunde en la dirección axial de fase en fase.

Como se muestra en las Figuras 1 y 2, cada álabe 18 del estator define un perfil de ala que incluye un lado de presión 20 genéricamente cóncavo y un lado de aspiración genéricamente convexo 22 situado enfrente en círculo. Los dos lados 20, 22 se extienden en la dirección de la cuerda del ala entre un borde de ataque corriente arriba 24 y un borde trasero corriente abajo 26, opuesto en dirección axial.

Los álabes individuales 18 pueden ser definidos con respecto a un sistema de coordenadas ortogonal que incluye un eje axial X que se extiende en paralelo con el eje 14 de la línea central del motor; un eje Y que se extiende circunferencial o tangencialmente; y un eje Z que se extiende en dirección radial. Cada álabe 18 puede, por consiguiente, estar definida por una pluralidad de secciones planares radialmente apiladas que se extienden radialmente hacia fuera desde una raíz 28 y hasta una punta 30, como se muestra en la Figura 1.

En la forma de realización ejemplar ilustrada en la Figura 1, la fila de álabes 18 se apoya oportunamente en unas bandas correspondientes 32, 34 radialmente interior y exterior, soportando típicamente la banda interior una junta de estanqueidad apropiada (no mostrada). Las raíces 28 y las puntas 30 de las paletas están típicamente montadas de manera fija en unas aberturas complementarias practicadas en las bandas correspondientes 32, 34, definiendo las bandas unas paredes terminales que limitan radialmente el flujo del aire 12 entre los álabes adyacentes 18.

Como se indicó anteriormente, el diseño de compresor convencional típicamente exige un compromiso entre la eficiencia de la compresión y el margen de entrada en pérdida. Los perfiles de ala de los álabes del compresor convencionales son típicamente similares en dirección radial debido a su definición aerodinámica en dos dimensiones.

Ahora se dispone de un software de computadora moderno para resolver las ecuaciones de flujo laminar en tres dimensiones (3D) para evaluar con mayor precisión el rendimiento de los perfiles de ala. Dicho software de 3D puede utilizarse para diseñar tanto el álabe 16 de los rotores como las paletas 18 del estator, siendo las paletas del estator el objeto de la presente invención. Los perfiles de ala resultantes de las paletas de acuerdo con la presente invención genéricamente tienen unas configuraciones en 3D características que difieren considerablemente de los perfiles de ala convencionales que varían poco en sección radial con respecto a sus envergaduras longitudinal o radial.

Como se muestra inicialmente en la Figura 2, cada sección radial de la paleta 18 está definida por el contorno o perfil aerodinámico a lo largo de los lados de presión y aspiración 20, 22 que se extienden entre los bordes de ataque y trasero 24, 26. Cada sección tiene una cuerda aerodinámica que se extiende desde el borde de ataque hasta el trasero, y se identifica mediante su longitud C de la cuerda aerodinámica.

Como se muestra en la Figura 1, y de acuerdo con una característica ejemplar de la presente invención, la paleta 18 del estator se estrecha en una cuerda aerodinámica hasta una parte central 36 de una longitud de cuerda aerodinámica mínima que está preferentemente dispuesta en posición central entre la raíz 28 y la punta 30 a lo largo de la envergadura longitudinal o radial del álabe.

El borde de ataque 24 está preferentemente ahusado hacia la parte central 36 tanto desde la raíz 28 como desde la punta 30, definiendo una vista lateral axial o proyección genéricamente cóncava, según se ilustra en la Figura 1, un borde de ataque que tiene una única escotadura. El estrechamiento central 36 está preferentemente dispuesto con una amplitud que oscila entre el 30% y el 70% de la envergadura longitudinal o radial del álabe desde su raíz 28. En la forma de realización preferente ilustrada, el estrechamiento central 36 está dispuesto al nivel de un 50% de la envergadura. Y, el estrechamiento central 36 puede ser, aproximadamente, inferior hasta un 30% respecto de las cuerdas de la raíz y de la punta.

Como se muestra en la vista lateral o proyección axial en la Figura 1, el borde trasero 26 es longitudinal o radialmente recto entre la raíz y la punta. En proyección axial desde uno u otro lado del álabe, el borde trasero 26 aparece recto tanto en los lados de presión como de aspiración en el plano X-Z.

Como se exponen con mayor detalle más adelante, el álabe 18 del estator preferentemente se estrecha en cuerda únicamente desde el borde de ataque 24 hacia el borde trasero 26, permaneciendo el borde trasero recto en perfil axial. En la forma de realización preferente, el borde trasero 36 está configurado para extenderse únicamente en dirección radial en elevación o proyección radial sin inclinación con el borde de ataque. De esta forma, el estrechamiento central 36 está definido únicamente por el borde de ataque 24 ahusado o con escotadura, siendo el borde trasero recto en dirección radial o sin escotadura.

Introduciendo el estrechamiento 36 centralmente dentro de la paleta mediante la reducción de la longitud de cuerda desde ambas paredes terminales, puede obtenerse un rendimiento mejorado en 3D de la extensión del estator. La porción estrecha de la zona media de la envergadura de la paleta tiene una reducción correspondiente en área superficial mojada, y, por consiguiente, la resistencia aerodinámica se reduce de manera correspondiente.

Preferentemente, el álabe se estrecha hasta su parte central con un acortamiento correspondiente de las cuerdas desde ambas paredes terminales para efectuar una carga de difusión sustancialmente uniforme en dirección longitudinal o radial desde la raíz 28 hasta la punta 30. Definiendo la distribución de la cuerda radial del álabe para conseguir una carga aerodinámica sustancial y uniforme a través de la envergadura de los perfiles de ala, debe obtenerse un rendimiento y una eficiencia potenciadas, eliminando al tiempo la longitud extra de la cuerda cerca del estrechamiento del álabe que no se requiere a los fines de la eficiencia de la compresión del aire.

El álabe está selectivamente estrechado en la parte central para incrementar en la medida correspondiente la carga y difusión en ese punto sin comprometer la carga y difusión cerca de las paredes terminales. La distribución de la carga longitudinal puede ser sustancialmente uniforme de acuerdo con lo anteriormente indicado, o puede ser ligeramente mayor en el tramo central del álabe para asegurar una distribución suave de la cuerda. La eficiencia de la compresión se incrementa por tanto incrementando la difusión en la región central de la paleta, reduciendo al tiempo en la medida correspondiente la resistencia aerodinámica en ese punto.

Así mismo, la reducción de la cuerda se efectúa preferentemente en el borde frontal o de ataque del perfil de ala en lugar de en el borde trasero para incrementar el paso angular aerodinámico del borde de ataque de las bandas de las paredes terminales. El paso angular aerodinámico es un parámetro convencional y el paso angular de ataque producido en el borde de ataque de la paleta cerca de las bandas interior y exterior 32 y 34 mejora aún más el rendimiento aerodinámico del álabe.

El borde de ataque 24 con escotadura puede también efectuarse con un borde trasero recto pero inclinado. Como se muestra en una forma de realización alternativa en la Figura 2, el borde trasero 26 puede permanecer recto en proyección axial pero puede estar inclinado hacia el borde de ataque 24 desde la raíz hasta la punta en un ángulo de inclinación agudo A que puede ser de aproximadamente 10º. El ángulo de inclinación A es preferentemente constante entre la raíz y la punta.

La eficiencia del compresor puede incrementarse adicionalmente, junto con un margen de sustentación mejorado, modificando adicionalmente las paletas 18 según se ilustra en una vista tangencial o proyección en el plano Y-Z ilustrado en la Figura 4. El plano Y-Z ilustrado en la Figura 4 es un plano ortogonal o normal al plano X-Z de la Figura 1 para mostrar dos proyecciones de los mismos álabes 18 que se corresponden con las proyecciones tangencial y axial, respectivamente.

Como se muestra en la Figura 4, el lado de aspiración 22 del álabe está preferentemente inclinado en un ángulo obtuso B entre el borde trasero 26 y cada una de las porciones de la raíz 28 y la punta 30. El borde trasero 26 define también un ángulo inclinado D con el eje radial en la dirección o vista tangencial ilustrada.

Dado que los álabes 18 están configurados para girar y difundir el flujo de aire 12, la separación del flujo de aire es una consideración de diseño fundamentalmente sobre el lado de aspiración del álabe cerca del borde trasero. En un álabe de estator convencional genéricamente recta en dirección radial, el lado de aspiración del álabe es genéricamente normal a las paredes terminales correspondientes y está sometido en ese punto a la separación del flujo. Sin embargo, doblando el lado de aspiración de los álabes 18 ilustrado en la Figura 4 a lo largo de los bordes traseros, los ángulos obtusos resultantes B pueden considerablemente reducir o eliminar la separación del flujo indeseable en las bandas o paredes terminales. En la medida correspondiente, puede obtenerse con ello un incremento adicional en la eficiencia del compresor y en el margen en entrada de pérdida.

En la vista desde un extremo axial ilustrado en la Figura 4, los álabes individuales 18 están dobladas básicamente a lo largo de sus bordes traseros 26 para crear unos ángulos obtusos similares B tanto en la raíz 28 como en la punta 30. El ángulo inclinado D varía en la medida correspondiente a lo largo de la envergadura longitudinal del álabe para interconectar suavemente con la raíz inclinada opuesta y con las porciones de la punta del borde trasero. Preferentemente, el ángulo agudo varía de forma continua entre la raíz y la punta.

El borde trasero inclinado ilustrado en la Figura 4 puede llevarse a la práctica variando el ángulo de curvatura y el ángulo del paletaje con relación al eje de cada sección radial, junto con la flexión del eje de apilamiento 38 de la paleta respecto de una línea radial, fundamentalmente en el componente tangencial de ésta. El eje de apilamiento para los álabes es preferentemente el locus de los puntos medios de las líneas de curvatura de las secciones radiales individuales del álabe, puntos medios que están típicamente alineados en dirección radial a lo largo de envergadura de la paleta. En la Figura 4, el componente tangencial del eje de apilamiento 38 está inclinado y desplazado respecto del eje de envergadura radial para producir el borde trasero inclinado preferente del álabe.

El borde de ataque escotado 24 ilustrado en la Figura 1, se utiliza preferentemente en combinación con el borde trasero inclinado 26 ilustrado en la Figura 4, preferentemente sin que uno comprometa el otro. La combinación de estos incrementa adicionalmente la eficiencia aerodinámica y la reducción o eliminación de la separación del flujo indeseable en las paredes terminales.

Más concretamente, la misma paleta 18 ilustrada en las Figuras 1 y 4 preferentemente incluye tanto el borde de ataque escotado 24 con el estrechamiento central 36 de cuerda mínima, como el borde trasero 26 inclinado ortogonalmente a partir de aquél. Como se muestra en la Figura 1, el borde trasero 26 es genéricamente recto en la proyección axial de los lados de presión y aspiración 20, 22 estando también doblado a lo largo del lado de aspiración 22 en el plano tangencial ortogonal ilustrado en la Figura 4. Esta combinación del borde trasero 28 en los dos planos ortogonales permite que la cantidad de la inclinación D del borde trasero se potencie al máximo, con un ángulo obtuso B sustancialmente amplio para mejorar en mayor medida la eficiencia del compresor y el margen de sustentación.

El ángulo obtuso B puede, por consiguiente, incrementarse dentro de una amplitud ejemplar aproximada de 100º a 130º, escogiéndose el límite superior ejemplar de 130º por razones de fabricación, de acuerdo con lo expuesto más adelante. La inclinación del borde trasero amplio coopera con el borde de ataque escotado con una sinergia de 3D para potenciar al máximo la uniformidad de la carga de difusión en sentido longitudinal desde la raíz 28 del álabe hasta la punta 30. Se produce una carga aerodinámica uniforme con una sustancial reducción o eliminación también de la separación del flujo entre el lado de aspiración del álabe y las correspondientes paredes terminales del borde trasero.

Como se muestra en las Figuras 2 y 4, el borde de ataque 24 del álabe es preferentemente, de forma sustancial, normal o perpendicular a la raíz 28 y a la punta 30 correspondientes y se extiende básicamente en la dirección radial.

Así mismo, el borde de ataque 24 es genéricamente recto en la raíz y en la punta en el plano tangencial ilustrado en la Figura 4, el cual es ortogonal con el ahusamiento del borde de ataque en el plano axial ilustrado en la Figura 1.

Aunque la porción del borde trasero de cada paleta está tangencialmente inclinada de acuerdo con lo anteriormente expuesto, las porciones del borde de ataque de los álabes son relativamente rectas para mantener la rigidez longitudinal de los álabes para permitir su montaje con las bandas correspondientes. Dicho montaje se efectúa típicamente perforando los álabes individuales introduciéndolos en las aberturas complementarias practicadas en las bandas con la fuerza suficiente para efectuar un encaje de interferencia entre ellas. Los álabes individuales, por consiguiente, requieren una rigidez longitudinal que impida el pandeo o la distorsión longitudinal bajo las considerables fuerzas de presión empleadas.

El ángulo de interconexión obtuso B ilustrado en la Figura 4 es situado preferentemente en posición local en el borde trasero del álabe, y preferentemente decrece en magnitud desde el borde trasero hacia el borde de ataque 24. En el borde de ataque, el ángulo de interconexión B se aproxima a los 90º. De esta forma, una poción considerable de cada álabe puede mantener una orientación normal o perpendicular con respecto a su raíz o punta opuestas para mantener su rigidez radial y permitir el montaje de perforación de los álabes con las bandas. La inclinación de cada álabe puede de esta forma limitarse en la zona del borde trasero para potenciar el rendimiento aerodinámico sin comprometer la manufacturabilidad.

Los álabes 18 del estator escotados e inclinados ilustrados en la Figura 4 obtienen un rendimiento aerodinámico mejorado con sus bandas de soporte 32, 34. El ángulo de interconexión obtuso B se produce entre el lado de aspiración 22 y el borde trasero 26 en ambas paredes terminales 32, 34. La separación del flujo en ese punto se reduce de manera considerable o se elimina, y se produce, para mejorar adicionalmente la eficiencia, una carga aerodinámica más uniforme de los álabes a través de sus envergaduras radiales.

Las características escotadas e inclinadas de los álabes del estator son utilizadas en combinación para potenciar al máximo la eficiencia y el margen de entradas en pérdida debido a la combinación sinérgica de aquéllas.

Claims (9)

1. Un álabe (18) del estator de compresor que comprende unos lados de presión y aspiración (20, 22) que se extiende de forma cordada entre los bordes de ataque y trasero (24, 26), y caracterizado por un borde de ataque escotado (24) con un estrechamiento (36) de cuerda mínimo dispuesto longitudinalmente entre una raíz (28) y una punta (30) y un borde trasero (26) curvado ortogonalmente hacia dicho borde de ataque.

2. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dicho borde de ataque (24) está ahusado hacia dicho estrechamiento (36) desde dicha raíz (28) y desde dicha punta (30).

3. Un álabe de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 en el que dicho estrechamiento (36) está dispuesto en un margen de aproximadamente entre un 30% y un 70% de la envergadura desde dicha raíz (28).

4. Un álabe de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 en el que dicho borde trasero (26) es genéricamente recto en dirección longitudinal entre dicha raíz (28) y dicha punta (30).

5. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 2 en el que dichas cuerdas se acortan hacia dicho estrechamiento (36) para efectuar dicha carga de difusión sustancialmente uniforme en dirección longitudinal desde dicha raíz (28) hacia dicha punta (30).

6. Un álabe de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2 en el que dicho lado de aspiración (22) está inclinado formando un ángulo obtuso entre dicho borde trasero (26) y cada uno de dichas raíz (28) y punta (30).

7. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 6 en el que dicho borde trasero (26) es genéricamente recto en dichos lados de presión y aspiración (20, 22) ortogonales a dicha inclinación de dicho lado de aspiración (22) al nivel de aquellas.

8. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 6 en el que dicho borde de ataque (24) es sustancialmente normal a dicha raíz (28) y a dicha punta (30).

9. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende así mismo una banda interior (32) unida de forma normal a dicha raíz (28), y una banda (34) exterior unida de forma normal a dicha punta (30) para producir un ángulo obtuso entre dicho lado de aspiración (22) y dicho lado trasero (26) con dichas dos bandas.