ES2300544T3 - Carcasa de descarga de compresor. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto (44) de compresor que comprende: un rotor (12) que tiene una pluralidad de álabes (16) que se extienden radialmente hacia fuera unidos al mismo; una carcasa (48) exterior anular que tiene una pared posterior; y una carcasa (50) interior anular que incluye: una primera parte (60) de recubrimiento que rodea dichos álabes, teniendo dicha primera parte de recubrimiento una superficie interior orientada radialmente en frente de una superficie (88) exterior orientada radialmente, estando conectadas dichas superficies interior y exterior por una pared (58) anterior; y en la que dicha carcasa (50) interior está dispuesta en relación de separación con dicha carcasa exterior, de manera que se define una ranura (54) de descarga anular entre dicha pared (56) posterior de dicha carcasa exterior y dicha pared (58) anterior de dicha primera parte (60) de recubrimiento de dicha carcasa interior; Caracterizado por una brida (100) que se extiende radialmente hacia fuera desde dicha superficie exterior, estando dicha brida conectada a dicha carcasa exterior, alineada con la posición axial de dichos álabes y teniendo una pluralidad de aberturas (102) de descarga formadas a su través.
Description
Carcasa de descarga de compresor.
Esta invención se refiere generalmente a
estructuras de carcasa para turbomaquinaria y, más concretamente, a
carcasas que incluyen disposiciones para flujo de descarga.
Una turbina de gas incluye un compresor que
suministra aire presurizado a una cámara de combustión en la que el
aire se mezcla con combustible y se enciende para generar gases de
combustión calientes. Estos gases fluyen corriente abajo hacia una
o más turbinas que extraen energía de los mismos para impulsar el
compresor y proveer trabajo útil, tal como la impulsión de una
aeronave en vuelo. Típicamente, el compresor incluye múltiples
etapas, cada una de las cuales comprende una fila de álabes de
estator fijo y una fila contigua de álabes de compresor unidos a un
rotor. Una parte del aire comprimido de una o más etapas se puede
extraer para refrigeración de la sección de turbina, presurización
del fuselaje, anticongelante u otros usos.
El rotor del compresor está rodeado por un
conjunto de carcasa que comprende carcasas interior y exterior.
Para extraer grandes volúmenes de aire de descarga, entre la carcasa
exterior y la carcasa interior está definida una ranura de descarga
anular. La carcasa interior es menos masiva que el rotor y está
bañada en aire comprimido caliente. Consecuentemente, la carcasa
interior tiene una rápida respuesta térmica, es decir, se dilata o
se contrae más rápidamente que el rotor a medida que cambia el flujo
de aire. Esto da lugar a fenómenos conocidos como pérdida de empuje
y rozamiento, que producen pérdida de eficacia y posible daño al
motor. Las soluciones de la técnica anterior han tratado de
vincular entre sí las carcasas exterior e interior para dar mejor
soporte a la carcasa interior. Sin embargo, los diseños de la
técnica anterior incluyen secciones de recubrimiento en voladizo
que permiten el movimiento radial indeseado de las partes de la
carcasa interior que rodean una o más etapas de álabes.
El documento
US-A-6 109 868 revela un sistema de
extracción de aire para motores de turbina de gas, el documento
US-A-3 142 438 revela un compresor
axial de múltiples etapas y el documento
US-A-4 844 689 revela un sistema de
descarga de aire de compresor.
Existe la necesidad de una carcasa de descarga
de compresor que tenga una respuesta térmica reducida.
De acuerdo con la presente invención, se provee
un conjunto de compresor que comprende:
- un rotor que tiene una pluralidad de álabes que se extienden radialmente hacia fuera unidos al mismo;
- una carcasa exterior anular que tiene una pared posterior; y
- una carcasa interior anular que incluye:
- una primera parte de recubrimiento que rodea dichos álabes, teniendo dicha primera parte de recubrimiento una superficie interior orientada radialmente dando frente a una superficie exterior orientada radialmente, estando conectadas dichas superficies interior y exterior por una pared anterior; y
en el que dicha carcasa interior está dispuesta
en relación de separación de dicha carcasa exterior, de manera que
se define una ranura de descarga anular entre una pared posterior de
dicha carcasa exterior y dicha pared anterior de dicha primera
parte de recubrimiento de dicha carcasa interior;
Caracterizado por una brida que se extiende
radialmente hacia fuera desde dicha superficie exterior, estando
conectada dicha brida a dicha carcasa exterior, alineada con la
posición axial de dichos álabes y teniendo una pluralidad de
aberturas de descarga formadas a su través.
La brida está unida a la carcasa exterior para
reducir la respuesta térmica de la carcasa interior.
La presente invención y sus ventajas sobre la
técnica anterior se harán evidentes tras la lectura de la siguiente
descripción detallada y de las reivindicaciones adjuntas con
referencia a los dibujos que se acompañan.
Ahora se va a describir la invención con mayor
detalle, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los
que:
La figura 1 es una sección transversal parcial y
esquemática de un conjunto de compresor de la técnica anterior.
La figura 2 es una sección transversal parcial y
esquemática de un conjunto de compresor construido de acuerdo con
la presente invención.
La figura 3 es una vista de la parte anterior de
una carcasa interior para uso con el conjunto de compresor de la
presente invención.
La figura 4 es una vista tomada a lo largo de la
línea 4-4 de la carcasa interior de la figura 3.
Haciendo referencia a los dibujos, en los que
los numerales de referencia idénticos designan los mismos elementos
a lo largo de las diferentes vistas, la figura 1 muestra un conjunto
10 de compresor de la técnica anterior. El conjunto 10 de compresor
incluye varios rotores alternativos axialmente y etapas 12 y 14 de
rotor y estátor. Cada etapa 12 de rotor comprende una serie
circunferencial de álabes 16 de compresor unidos a un disco o bobina
(no se muestra) rotatorio. Cada etapa 14 de estátor comprende una
serie circunferencial de álabes 18 de estator fijos que están
unidos a un conjunto 20 de carcasa.
El conjunto 20 de carcasa rodea las etapas 12 de
rotor del conjunto 10 de compresor. El conjunto 20 de carcasa
incluye una carcasa 22 exterior anular y una carcasa 24 interior
anular que están conectadas entre sí por una parte 26 que se
extiende radialmente. Una pared 30 orientada hacia atrás de la
carcasa 22 exterior y una pared 32 orientada hacia delante de la
carcasa 24 interior definen una ranura 28 de descarga anular. La
ranura 28 de descarga sirve para recibir una parte del flujo de
aire comprimido del "recorrido de flujo" de gas motriz y lo
canaliza hasta una cámara 36 de gases. La carcasa 24 interior tiene
una superficie 38 de "recorrido de flujo" interior radialmente
que forma el límite exterior del recorrido de flujo de gas motriz 34
y constituye una superficie sellante para las puntas 40 de los
álabes 16 del compresor. Para su operación eficaz, el conjunto 20
de carcasa está diseñado de manera conocida para crear uniformemente
una pequeña separación radial, designada con la letra C en la
figura 1, entre las puntas 40 de los álabes 16 del compresor y la
superficie 38 del "recorrido de flujo" de la carcasa 24
interior. Se ha exagerado el tamaño relativo de la separación C
radial a fines de ilustración.
En este diseño de la técnica anterior, la parte
de la carcasa 24 interior que está directamente detrás de la ranura
28 de descarga está soportada en voladizo por la parte 26 del
conjunto 20 de carcasa que se extiende radialmente. Cuando la
temperatura del flujo de aire se incrementa súbitamente durante la
operación del motor, por ejemplo, en respuesta a un rápido
movimiento de la palanca de potencia hasta una regulación a alta
potencia, la carcasa 24 interior se dilata más rápidamente que el
rotor 12, incrementándose la separación C radial entre la
superficie 38 del "recorrido de flujo" y las puntas 40 de los
álabes 16 del compresor 16. Esto permite el reflujo de aire a más
alta presión desde corriente abajo de los álabes 16 del compresor,
decreciendo la eficacia y aumentando la posibilidad de avería del
compresor 10.
Por el contrario, cuando la temperatura del
flujo de aire decrece súbitamente, por ejemplo, en respuesta a un
rápido movimiento de la palanca de potencia del motor hasta una
regulación a baja potencia, la carcasa 24 interior se contrae más
rápidamente que el rotor 12. Esto hace decrecer la separación C
radial entre la superficie 38 del "recorrido de flujo" y las
puntas 40 de los álabes 16 del compresor, y puede dar lugar al
contacto entre ambas, conocido como "rozamiento", que puede
dañar los componentes o desgastar excesivamente cualquier material
42 abrasible que pueda estar dispuesto sobre la superficie 39 del
"recorrido de flujo". Esto conduce a un incremento de la
separación C más allá de su dimensión deseada.
La figura 2 ilustra un conjunto 44 de compresor
que incorpora un conjunto 46 de carcasa de descarga de compresor
ejemplar construido de acuerdo con la presente invención. Los
componentes básicos del conjunto 46 de carcasa de descarga son una
carcasa 48 exterior, una carcasa 50 interior y una carcasa 52
posterior. La carcasa 50 interior está espaciada axialmente de la
carcasa 48 exterior de manera que se define una ranura 54 de
descarga anular entre la pared 56 posterior de la carcasa 48
exterior y la pare 58 anterior de la primera parte 60 del
recubrimiento de la carcasa 50 interior. La carcasa 48 exterior es
una estructura anular, similar a la carcasa 22 exterior de la
técnica anterior, que rodea una parte de las etapas 12 del compresor
y forma un punto de unión para una pluralidad de etapas 14 de
álabes 18 del estátor. La carcasa 48 exterior difiere de la carcasa
22 exterior de la técnica anterior en que es más corta en la
dirección axial, teniendo una brida 62 posterior que está alineada
aproximadamente con la posición axial de la ranura 54 de
descarga.
La carcasa 52 posterior es un componente anular
que tiene un brazo 64 que se extiende axialmente y un brazo 66 que
se extiende radialmente estando ambos brazos conectados para formar
una sección transversal en forma de L generalmente. El extremo 68
anterior del brazo 64 que se extiende axialmente tiene una primera
brida 70 que se extiende radialmente unida al mismo, y el extremo
72 posterior del brazo 64 que se extiende axialmente tiene una
segunda brida 74 que se extiende radialmente unida al mismo. Cada
una de las bridas 70 y 74 incluye una pluralidad de orificios 76 de
perno. Una parte 78 anular del recubrimiento que se extiende
axialmente está dispuesta en el extremo 80 interior radialmente del
brazo 66 que se extiende radialmente. En el extremo 84 anterior de
la segunda parte 78 del recubrimiento puede estar formado un surco
82 circunferencial u otra estructura de montaje para recibir una
vía 86 de montaje de un álabe 18 del estátor contiguo.
Las figuras 3 y 4 ilustran la carcasa 50
interior con mayor detalle. La carcasa 50 interior es un componente
anular que incluye una primera parte 60 de recubrimiento
generalmente cilíndrica que tiene una superficie 88 exterior
orientada radialmente en frente de una superficie 90 interior
orientada radialmente. En el ejemplo ilustrado la carcasa 50
interior es un anillo circular continuo, un pequeño segmento del
cual se muestra en la figura 3. Sin embargo, la carcasa 50 interior
podría comprender también una pluralidad de segmentos arqueados. La
superficie 90 interior de la primera parte 50 del recubrimiento
forma una parte del límite exterior del "recorrido de flujo"
de gas motriz y presenta una superficie sellante para las puntas 40
de los álabes 16 del compresor. En la superficie 90 interior puede
estar dispuesto un tipo de material 42 abrasible conocido. En el
extremo 94 posterior de la primera parte 60 del recubrimiento puede
estar formado un surco 92 circunferencial u otra estructura similar
de montaje para recibir una vía 96 de montaje de un álabe 18 del
estátor contiguo (véase la figura 2). Una pared 58 anterior conecta
la superficie 90 interior y la superficie exterior 88. La pared 58
anterior está dispuesta formando un ángulo agudo con la superficie
90 interior para definir un vertedero 98 de flujo.
Una brida 100 generalmente plana se extiende
radialmente desde la superficie 88 exterior. Una serie
circunferencial de aberturas 102 de descarga están formadas a
través de la brida 100 radialmente contiguas a la primera parte 60
del recubrimiento. Una serie circunferencial de orificios 104 de
montaje están formados a través de la brida 100 radialmente hacia
fuera de las aberturas 102 de descarga.
Haciendo referencia otra vez a la figura 2, el
conjunto 46 de carcasa de descarga se ensambla situando la brida
100 de la carcasa 50 interior entre la brida 62 posterior de la
carcasa 48 exterior y la primera brida 70 de la carcasa 52
posterior. Las tres bridas se aseguran entre sí con una pluralidad
de sujetadores 106 tales como los pernos ilustrados. La brida 100
de la carcasa 60 interior está alineada con la posición axial de la
fila de álabes situada inmediatamente detrás de la ranura 54 de
descarga. Con la expresión "alineada con la posición axial de la
fila de álabes" se quiere decir que la posición axial de la brida
100 cae entre los bordes anterior y posterior de los álabes 16. No
es necesario que la brida 100 esté alineada directamente con
localización concreta alguna a lo largo de la extensión axial de los
álabes 16, siempre que esté situada de manera que cualquier
dilatación o contracción radial de la primera parte 60 del
recubrimiento se transmita a la brida 100 sustancialmente en
tensión o compresión directa. Una vez ensambladas, las carcasas
exterior, interior y posterior, junto con una fila de álabes 18,
cooperan para definir una cámara 108 anular de gases. Alrededor de
la fila 14 de álabes del estátor puede estar dispuesto un sello 110
anular para prevenir fugas entre el "recorrido de flujo" 34 de
gas motriz y la cámara 108 de gases. En el brazo 64 axial de la
carcasa 52 posterior están formados uno o más puertos 112. Se puede
conectar un colector 114 de aire de descarga a los puertos 112 para
recibir el flujo de aire de descarga de la cámara 114 de gases y
conducirlo al lugar necesario.
En operación, el aire caliente a presión fluye a
través del "recorrido de flujo" 34 de gas motriz. Una parte
del flujo se desvía hacia dentro de la ranura 54 de descarga, de las
aberturas 102 de descarga y hacia dentro de la cámara 108 de gases,
como se muestra mediante las flechas A en la figura 2. Cuando la
temperatura del flujo de aire aumenta o disminuye súbitamente, por
ejemplo, en respuesta a movimientos rápidos de la palanca de
potencia del motor hasta una posición alta o baja, la carcasa 50
interior tiende a dilatarse o contraerse más rápidamente que el
rotor 12, aumentando o disminuyendo la separación C radial entre la
superficie 90 interior y las puntas 40 de los álabes 16 del
compresor, como se describió anteriormente respecto de la carcasa
interior de la técnica anterior. Sin embargo, en la presente
invención, la carcasa 50 interior está sujeta mecánicamente a la
carcasa 48 exterior, más masiva y estable, mediante la brida 100 que
se extiende directa y radialmente fuera de los límites de la parte
60 del recubrimiento. Esta disposición estructural reduce en gran
medida la cantidad de movimiento radial de la carcasa 50 interior.
Debido a que la brida 100 se carga directamente con tensión o
compresión, hay poca o ninguna flexión de la parte 60 de
recubrimiento que podría estar asociada con un soporte en voladizo.
Esto reduce la respuesta térmica, y reduce la variación de la
separación C radial en condiciones de operación cambiantes, lo que
mejora la eficacia del compresor y permite implementar tolerancias
de diseño más estrechas.
Lo anterior es la descripción de un conjunto de
carcasa de descarga que comprende una carcasa exterior anular y una
carcasa interior. La carcasa interior comprende una parte de
recubrimiento anular que tiene una superficie exterior radialmente
en frente de una superficie interior radialmente, y una brida plana
generalmente que se extiende radialmente hacia fuera desde la
superficie exterior radialmente. La brida incluye una serie
circunferencial de aberturas de descarga formadas a su través. La
brida está unida a la carcasa exterior para reducir la respuesta
térmica de la carcasa interior.
Claims (7)
1. Un conjunto (44) de compresor que
comprende:
un rotor (12) que tiene una pluralidad de álabes
(16) que se extienden radialmente hacia fuera unidos al mismo;
una carcasa (48) exterior anular que tiene una
pared posterior; y
una carcasa (50) interior anular que
incluye:
- una primera parte (60) de recubrimiento que rodea dichos álabes, teniendo dicha primera parte de recubrimiento una superficie interior orientada radialmente en frente de una superficie (88) exterior orientada radialmente, estando conectadas dichas superficies interior y exterior por una pared (58) anterior; y
- en la que dicha carcasa (50) interior está dispuesta en relación de separación con dicha carcasa exterior, de manear que se define una ranura (54) de descarga anular entre dicha pared (56) posterior de dicha carcasa exterior y dicha pared (58) anterior de dicha primera parte (60) de recubrimiento de dicha carcasa interior;
Caracterizado por una brida (100) que se
extiende radialmente hacia fuera desde dicha superficie exterior,
estando dicha brida conectada a dicha carcasa exterior, alineada con
la posición axial de dichos álabes y teniendo una pluralidad de
aberturas (102) de descarga formadas a su través.
2. El conjunto de compresor de la reivindicación
1 que comprende además:
- una fila (14) de estatores que comprende una pluralidad de álabes (18) de estátor que se extienden radialmente hacia dentro, incluyendo cada uno de dichos álabes de estátor una banda anular que tiene extremos (96, 86) anterior y posterior; y
- una carcasa (52) posterior anular que incluye un brazo (64) que se extiende axialmente hacia delante conectado a un brazo (66) que se extiende radialmente hacia dentro, incluyendo dicho brazo que se extiende radialmente hacia dentro una segunda parte (78) de recubrimiento anular, en el que dicha fila de estatores está dispuesta entre dicha primera parte (60) de recubrimiento de dicha carcasa interior y dicha segunda parte (78) de recubrimiento de dicha carcasa (52) posterior.
3. El conjunto de compresor de la reivindicación
2 en el que cada una de dichas bandas anulares de la fila de
estatores incluye:
- una vía (96) anterior dispuesta en dicho extremo anterior de dicha banda anular, siendo recibida dicha vía anterior en un surco (92) circunferencial formado en dicha primera parte (60) de recubrimiento; y
- una vía (86) posterior dispuesta en dicho extremo posterior de dicha banda anular, siendo recibida dicha vía posterior en un surco (82) circunferencial formado en dicho segunda parte (78) de recubrimiento.
4. El conjunto de compresor de la reivindicación
1 que comprende además un sello (110) anular dispuesto alrededor de
dicha fila de estatores.
5. El conjunto de compresor de la reivindicación
1 que comprende además un material abrasible dispuesto sobre dicha
superficie interior radialmente de dicha primera parte de
recubrimiento.
6. El conjunto de compresor de la reivindicación
1 en el que dicha pared (58) anterior está dispuesta formando un
ángulo agudo con dicha superficie interior.
7. El conjunto de compresor de al reivindicación
1 en el que la brida incluye además una serie circunferencial de
orificios (104) de montaje formados a su través, radialmente hacia
fuera de dichas aberturas de descarga.
Applications Claiming Priority (2)
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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