ES2310509T3 - Alabe de compresor curvado. - Google Patents
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Abstract
Un álabe (12) de compresor para un disco (14) de rotor que tiene unos ejes ortogonales, axiales, tangenciales y radiales que comprende: unos lados de presión y de aspiración (18, 20) que se extienden radialmente desde la base (22) hasta la punta (24), y axialmente entre unos bordes de ataque y posterior (26, 28); unas secciones transversales que tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la sección transversal que se extienden entre dichos bordes de ataque y posterior, y unos centros de gravedad (34) alineados en un eje de apilamiento curvado (36); estando dicho lado de aspiración (20) curvado a lo largo de dicho borde posterior (28) adyacente a dicha base (22) para reducir la separación del flujo en ese punto; y un medio (36b) para limitar el barrido aerodinámico trasero de dicho álabe entre dichos bordes de ataque y posterior (26, 28); en el que dicho eje de apilamiento comprende dos componentes ortogonales que incluyen un eje de apilamiento tangencial (36a) y un eje de apilamiento axial (36b), y dicho eje de apilamiento tangencial está curvado en posición adyacente a dicha base (22) del álabe para curvar dicho lado de aspiración (20) en ese punto; y en el que dicho medio de limitación del barrido comprende la curvatura de dicho eje de apilamiento axial (36b) y la variación de las distribuciones de la cuerda de dichas secciones transversales, comprendiendo así mismo el medio de limitación del barrido: dicho borde de ataque (26) que tiene una porción exterior axialmente coplanar que incluye dicha punta (24), y una porción interior inclinada hacia delante de dicha base (22) de dicha porción exterior, y dicho borde posterior que tiene una porción interior axialmente coplanar que incluye dicha base (22) y una porción exterior inclinada hacia delante de dicha punta (24) desde dicha porción interior del borde trasero; caracterizado porque: dicho eje de apilamiento tangencial (36a) inicialmente se apoya sobre dicha base (22) hacia dicho lado de presión (18), y se apoya luego hacia atrás hacia dicho lado de aspiración (20) hacia dicha punta (24), y la combadura de dichas secciones adyacentes a dicha base varía para curvar dicho lado de aspiración en ese punto; y en el que dichas porciones exterior e interior del borde de ataque (26) oscilan entre el 40% y el 60% de la altura de la envergadura, y las porciones interior y exterior del borde trasero (28) oscilan entre el 15% y el 25% de la altura de la envergadura.
Description
Álabe de compresor curvado.
La presente invención se refiere en general al
campo de los motores de turbina de combustión y, más concretamente,
al campo de los compresores o ventiladores situados en su
interior.
En un motor de avión de turbina de combustión
con turboventilador, el aire es presurizado dentro de un ventilador
y un compresor durante su funcionamiento. El aire del ventilador es
utilizado para propulsar un avión en vuelo. El aire canalizado a
través del compresor es mezclado con el combustible dentro de una
cámara de combustión e inflamado para los gases de combustión
caliente generados que fluyen a través de las etapas de la turbina
que extraen la energía de aquella para energizar el ventilador y el
compresor.
Un motor de turboventilador típico incluye un
compresor de flujo axial de varias etapas que presuriza el aire
secuncialmente para producir aire de alta presión para la
combustión. Fundamental en el diseño del compresor es la eficiencia
en la compresión del aire con el suficiente margen de entrada en
pérdida respecto del completo dominio del vuelo desde el despegue,
vuelo de crucero, y aterrizaje.
Sin embargo, la eficiencia del compresor y del
margen de entrada en pérdida están normalmente relacionados
inversamente con la eficiencia creciente que típicamente se
corresponde con la reducción del margen de entrada en pérdida. Las
exigencias contradictorias del margen de entrada en pérdida y de la
eficiencia son particularmente exigentes en aplicaciones de motores
militares de alto rendimiento, las cuales requieren un alto nivel de
margen de entrada en pérdida en combinación con una elevada
eficiencia del compresor.
La potenciación al máximo de la eficiencia de
los álabes del compresor se lleva a cabo fundamentalmente mediante
la optimización de las distribuciones de la velocidad respecto de
los lados de presión y aspiración del álabe. 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 determina
una reducción de pérdida de sustentación, y, al contrario, un
incremento adicional del margen de entrada en pérdida se traduce en
una reducción de la eficiencia.
Una alta eficiencia se obtiene típicamente
reduciendo al mínimo el área superficial humidificada de los álabes
para una determinada etapa para reducir en la medida correspondiente
la resistencia de los álabes. Esto se consigue típicamente
reduciendo la solidez de los álabes o la densidad de los álabes
alrededor de la circunferencia descrita por un disco de un rotor, o
mediante el incremento del coeficiente del alargamiento de los
álabes con respecto a extensión de la envergadura.
Para una velocidad de rotor determinada, este
incremento de la eficiencia reduce el margen de pérdida de la
sustentación. Para conseguir altos niveles de margen de entrada en
pérdida, puede utilizarse un nivel de solidez más alto que el
óptimo, junto con el diseño de álabes con unos ángulos de incidencia
por debajo de los niveles óptimos. Esto reduce la eficiencia del
compresor de flujo axial.
Un margen incrementado de pérdida de
sustentación puede también obtenerse mediante el incremento de la
velocidad del rotor, pero esto a su vez reduce la eficiencia
mediante el incremento de los números de Mach de los álabes, lo que
incrementa la resistencia de los álabes.
Por consiguiente, los diseños típicos de
compresor suponen necesariamente un compromiso entre la eficiencia
y el margen de pérdida de sustentación favoreciendo a una en
detrimento del otro.
Un álabe de compresor de acuerdo con el
preámbulo de la reivindicación 1 se conoce mediante el documento
EP-0 801 230 A.
Por consiguiente, se desea mejorar en mayor
medida tanto la eficiencia del compresor como el margen de entrada
en pérdida para mejorar el rendimiento de compresor del motor de
turbina de combustión.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un álabe de compresor que incluye unos lados de presión
y de aspiración que se extienden desde la raíz hasta la punta y
entre los bordes de ataque e interior. Las secciones transversales
tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la
sección transversal. Los centros de gravedad de las secciones están
alineados a lo largo de un eje de apilamiento curvado ya sea
tangencialmente, axialmente, o ambos, para mejorar el
rendimiento.
La invención, de acuerdo con determinadas formas
de realización preferentes y ejemplares, junto con sus objetos y
ventajas adicionales, se describen con mayor detenimiento en la
descripción detallada subsecuente tomada en combinación con los
dibujos que se acompañan, en los cuales:
La Figura 1 es una vista isométrica de una
porción de una etapa de rotor del compresor del motor de turbina de
combustión que tiene unos álabes curvados que se extienden
radialmente hacia fuera desde un disco del rotor integral de
acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente
invención.
La Figura 2 es una vista isométrica encarada
hacia delante de uno de los álabes ilustrados en la Figura 1 y
tomada genéricamente a lo largo de la línea 2-2 en
un plano tangencial y radial.
La Figura 3 es una vista en alzado lateral de
uno de los álabes ilustrados en la Figura 1 y tomada genéricamente
a lo largo de la línea 3-3 circularmente proyectada
en una plano axial y radial.
La Figura 4 es una sección transversal radial a
través de una porción ejemplar del álabe ilustrado en la Figura 3 y
tomada a lo largo de la línea 4-4.
En la Figura 1 se ilustra una porción de un
disco con álabes 10 de un rotor anular que define una etapa de un
compresor de flujo axial de varias etapas para un motor de turbina
de combustión. El disco con álabes incluye una pluralidad de
paletas o álabes de rotor 12 separadas en círculo que se extienden
radialmente hacia fuera desde el perímetro de un disco de rotor
integral 14 que constituye un montaje unitario de una sola pieza.
El disco con álabes puede fabricarse utilizando un maquinado de
fresadora y electroquímico convencional.
Como una alternativa, los álabes pueden estar
conformados en cola de milano integrales para ser montados de
manera amovible en las correspondientes ranuras en cola de milano en
el perímetro del disco de rotor discreto en otra configuración
convencional.
Durante su funcionamiento, el disco con álabes
rota en la dirección en sentido dextrorso ejemplar ilustrada en la
Figura 1 para presurizar el aire 16 a medida que fluye entre los
álabes adyacentes. Los álabes están configurados con un perfil
aerodinámico para potenciar al máximo la eficiencia de la compresión
del aire proporcionando al tiempo un margen de entrada en pérdida
adecuadamente alto para potenciar al máximo el rendimiento del
compresor. El disco con álabes 10 ilustrado en la Figura 1 es solo
una de las diversas etapas de los álabes de rotor que pueden
configurarse de acuerdo con la presente invención para potenciar al
máximo el rendimiento del compresor mediante el incremento tanto de
la eficiencia como del margen de entrada en pérdida.
No obstante el compromiso convencional entre la
eficiencia aerodinámica y el margen de entrada en pérdida, puede
disponerse habitualmente de un software informático moderno para
resolver ecuaciones de flujo laminar tridimensionales (3D) para
evaluar el rendimiento de los álabes. Los álabes resultantes tienen
en general unas configuraciones en 3D distintivas que difieren
considerablemente de los álabes convencionales los cuales varían
poco en sección radial respecto de sus envergaduras.
La Figura 1 ilustra un álabe 12 específicamente
curvado no cubierto por un análisis en 3D con un rendimiento
mejorado para incrementar tanto la eficiencia como el margen de
entrada en pérdida lo que anteriormente no era posible.
El disco de rotor 14 tiene tres ejes ortogonales
incluyendo el eje axial X, el eje tangencial o circunferencial Y, y
el eje radial Z. El eje axial X se extiende en la dirección
corriente abajo con respecto al flujo del aire 16 a través del
compresor. El eje tangencial Y se extiende en la dirección de
rotación del disco y de los álabes. Y, el eje radial Z, se extiende
radialmente hacia fuera a partir del perímetro del disco para cada
uno de los álabes situados sobre
éste.
éste.
Cada álabe 12 incluye un lado de presión 18
genéricamente cóncavo y un lado de aspiración 20 genéricamente
convexo que se extienden radial o longitudinalmente desde una base o
cubo 22 unida de manera integral con el perímetro del disco hasta
una punta radialmente exterior 24. Los dos lados se extienden a modo
de cuerda o axialmente entre los bordes de ataque y posterior 26,
28 desde la base hasta la punta.
De acuerdo con una característica de la presente
invención, el lado de aspiración 20 del álabe está lateral o
tangencialmente curvado a lo largo del borde posterior 28 cerca de o
adyacente a la base 22 en la intersección con el perímetro del
disco. La separación del flujo del aire en este emplazamiento puede
sustancialmente reducirse o eliminarse tanto para incrementar la
eficiencia de la paleta como para mejorar el margen de entrada en
pérdida.
El borde posterior del lado de la aspiración
está curvado fundamentalmente solo en la dirección tangencial como
se ilustra en la Figura 2. En la proyección lateral del plano axial
y radial X-Y ilustrado en la Figura 3 la curvatura
del lado de la aspiración es imperceptible. Sin embargo, el álabe
puede también estar curvado axialmente como se ilustra en la Figura
3 para obtener mejoras adicionales en el rendimiento de acuerdo con
lo expuesto más adelante en la presente memoria.
El álabe ilustrado en las Figuras 1 a 3 se
define mediante una pluralidad de secciones transversales apiladas
radial o longitudinalmente, una de las cuales se ilustra en la
Figura 4. Cada sección tiene un perfil aerodinámico definido por
las respectivas porciones de los lados de presión y aspiración 18,
20 que se extienden entre los bordes de ataque y posterior 26, 28.
Cada perfil está definido por una cuerda recta 30 que se extiende
radialmente entre los bordes de ataque y posterior, y una línea de
combadura de la sección transversal arqueada 32 que es la línea
principal separada de forma equidistante entre los lados de presión
y aspiración a partir del borde de ataque hasta el posterior. La
línea de combadura 32 tiene un ángulo de combadura A con respecto
al eje axial X que varía entre los bordes de ataque posterior, y que
es genéricamente paralelo con el aire incidente 16 en el borde de
ataque del álabe.
Cada sección del álabe tiene también un centro
de gravedad 34 que está alineado radialmente a lo largo de la
envergadura longitudinal del álabe dentro de un eje de apilamiento
curvado 36 como se ilustra en la Figura 1. El eje de apilamiento 36
en combinación con las configuraciones de las secciones
correspondientes de los álabes que incluyen sus cuerdas 30 y sus
líneas de combadura 32 permiten una definición en 3D del álabe para
un rendimiento potenciado de acuerdo con la presente invención.
Más concretamente, el eje de apilamiento 36
ilustrado en la Figura 1 tiene dos componentes ortogonales que
incluyen un eje de apilamiento tangencial 36a ilustrado en la Figura
2 y un eje de apilamiento axial 36b ilustrado en la Figura 3. Como
se muestra en la Figura 2, el eje de apilamiento tangencial 36a es
no lineal o está curvado adyacente a la base 22 del álabe para
curvar el lado de aspiración 20 del álabe cerca de la base o cubo
del borde posterior.
El eje de apilamiento tangencial 36a
inicialmente se apoya hacia delante o en la dirección delantera de
rotación de los álabes y del disco a partir de la base 22 hacia el
lado de presión 18 del álabe. El eje 36a se apoya a continuación
hacia la parte posterior trasera, opuesta a la dirección de rotación
de los álabes y del disco, hacia el lado de aspiración 20 adyacente
a la punta 24. Paralelamente, la combadura de las secciones
transversales del álabe adyacentes a la base varía a su vez para
curvar el lado de aspiración en ese punto.
La curvatura del eje de apilamiento tangencial
36a y de las correspondientes formas de las secciones transversales
se seleccionan para sustancialmente reducir o eliminar la separación
del flujo del aire a lo largo del lado de aspiración cerca del cubo
del álabe en el borde posterior.
El eje de apilamiento curvado permite que el
borde posterior 28, tal y como se ilustra en las Figuras 1 y 2,
quede orientado sustancialmente en perpendicular a la base del lado
de aspiración curvado 20 y se apoye hacia atrás por encima de
aquél. El borde posterior 28 se entrecruza con el perímetro o
plataforma del disco de rotor en el ángulo de intersección B el
cual de no ser así resultaría considerablemente agudo sin la
curvatura del borde posterior.
El análisis informático indica que los ángulos
de intersección del borde posterior agudo propician la separación
del flujo del cubo lo que reduce la eficiencia del álabe. La
curvatura del lado de la aspiración reduce la agudeza del ángulo de
intersección B para reducir en la medida correspondiente la
separación del flujo, con el correspondiente incremento de la
eficiencia. El eje de apilamiento curvado permite el desarrollo de
unas cargas centrífugas durante el funcionamiento para enderezar
ligeramente el álabe e introducir unos esfuerzos locales de flexión
compresiva lo que desvía localmente el esfuerzo de tracción
centrífugo.
De acuerdo con ello, el álabe preferentemente
curvado reduce la separación del flujo al nivel del cubo, y queda
solo limitado por el grado de curvatura del eje de apilamiento que
puede introducirse por unos esfuerzos de flexión aceptables durante
el funcionamiento. El flujo de aire mejorado del cubo incrementa la
eficiencia del álabe sin comprometer el margen de entrada en
pérdida.
El barrido aerodinámico es un parámetro
convencional para evaluar el rendimiento de un álabe de compresor.
De acuerdo con otra característica de la presente invención, se
proporcionan unos medios para limitar el barrido aerodinámico
trasero del álabe 12 entre los bordes de ataque y posterior. El
barrido trasero puede afectar negativamente al margen de la entrada
en pérdida, y la limitación selectiva del barrido trasero puede
potenciar el margen de entrada en pérdida.
El barrido trasero del álabe 12 ilustrado en la
Figura 3 puede ser limitado curvando de manera selectiva el eje de
apilamiento axial 36b y también mediante la variación selectiva de
las distribuciones de la cuerda de las secciones transversales.
Por ejemplo, el barrido trasero puede ser
limitado configurando el borde de ataque 26 del álabe para que tenga
una porción axialmente coplanar radialmente exterior o más alejada
que incluya la punta 24. Y, la porción restante radialmente
interior o más cercana respecto del borde de ataque 26 está
inclinada axialmente hacia delante respecto de la base 22 a partir
de la porción exterior.
La Figura 3 ilustra una porción axial del álabe
12 desde su lado de aspiración 20 y muestra una porción recta
exterior del borde de ataque que está preferentemente situada en un
aplazamiento axial constante. La porción interior del borde de
ataque 26 se apoya hacia delante cuando la base del álabe se
aproxima con respecto a la línea radial ilustrada en línea de
puntos. El barrido trasero aerodinámico del álabe resulta de esta
forma limitado al nivel del borde de ataque desde la base hasta la
punta del álabe.
Como se muestra en la Figura 3, las porciones
exterior e interior del borde de ataque 26 se entrecruzan o
atraviesan entre sí aproximadamente en el centro del borde salida
del álabe. En una forma de realización preferente, la transición
del borde de salida oscila entre aproximadamente el 40% de la altura
de la envergadura y aproximadamente el 60% de la altura de la
envergadura. Tanto la eficiencia del álabe como el margen de entrada
en pérdida pueden incrementarse en mayor medida mediante esta
configuración preferente del borde de ataque.
El barrido aerodinámico trasero puede limitarse
en mayor medida configurando preferentemente el borde posterior 28
del álabe tal como se ilustra en la Figura 3. El eje de apilamiento
axial 36b en combinación con las longitudes de cuerda
correspondientes puede utilizarse para controlar la configuración
del borde posterior. En una forma de realización preferente
ilustrada en la Figura 3, el borde posterior 28 tiene una porción
interior axialmente coplanar que incluye la base 22, y una porción
exterior inclinada axialmente hacia delante hasta la punta 24 desde
la porción interior.
Las porciones interior y exterior del borde
posterior 28 se entrecruzan o atraviesan entre sí radialmente hacia
dentro entre el centro del borde de salida del álabe y la base 22.
En una forma de realización preferente, esta transición interior
del borde posterior se sitúa aproximadamente entre el 15% de la
altura de la envergadura y aproximadamente el 25% de la altura de
la envergadura. La configuración del borde posterior se define así
mediante el mantenimiento de una posición axial constante del borde
posterior desde la base 22 respecto de la porción interior menor de
la altura de la envergadura, en la cual la porción exterior mayor
del borde posterior se proyecta o se inclina hacia delante en
dirección a la punta 24 con respecto a la línea radial ilustrada en
línea de puntos.
También aquí, el barrido aerodinámico posterior
queda limitado mediante el incremento correspondiente de la
eficiencia del álabe y del margen de entrada en pérdida.
Dado que el eje de apilamiento incluye ambos
componentes tangencial y axial, el componente tangencial puede
utilizase ventajosamente para introducir el lado de aspiración
curvado 20 cerca del borde posterior en la base tal y como se
ilustra en las Figuras 1 y 2 para obtener las ventajas anteriormente
descritas. Paralelamente, el componente axial del eje de
apilamiento puede seleccionarse para limitar el barrido trasero a lo
largo tanto de los bordes de ataque como posterior 26, 28 tal como
se ilustra en la Figura 3.
Y, de modo harto significativo, el contorno
axial del álabe coopera con el contorno tangencial para reducir
todavía más o eliminar la separación del flujo.
El eje de apilamiento está configurado en
combinación con las formas de las secciones transversales
individuales del álabe incluyendo la distribución de la longitud de
las cuerdas 30 y la combadura de las líneas de combadura 32. Y, la
configuración específica del eje de apilamiento puede también ser
controlada para limitar los esfuerzos de flexión generados
centríguamente en el álabe dentro de los límites aceptables.
De acuerdo con ello, los dos componentes del eje
de apilamiento y la forma de secciones transversales del álabe
pueden configurarse también en base a una análisis de flujo laminar
en 3D para incrementar tanto la eficiencia del álabe como el margen
de entrada en pérdida resultante de la configuración distintiva en
3D ilustrada en las figuras.
El grado de curvatura del lado de aspiración y
la limitación del barrido trasero a lo largo de los bordes de
ataque y posterior pueden ajustarse en diferentes combinaciones para
diferentes configuraciones de álabe para diversificar los
beneficios de la eficiencia incrementada del álabe y el
correspondiente margen de entrada en pérdida. El álabe resultante
12 puede así diseñarse para obtener rendimientos verdaderamente en
3D atribuíbles a los avances actuales del análisis computacional
que hace posible muchas mejoras.
Claims (1)
1. Un álabe (12) de compresor para un disco (14)
de rotor que tiene unos ejes ortogonales, axiales, tangenciales y
radiales que comprende:
- unos lados de presión y de aspiración (18, 20) que se extienden radialmente desde la base (22) hasta la punta (24), y axialmente entre unos bordes de ataque y posterior (26, 28);
- unas secciones transversales que tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la sección transversal que se extienden entre dichos bordes de ataque y posterior, y unos centros de gravedad (34) alineados en un eje de apilamiento curvado (36);
- estando dicho lado de aspiración (20) curvado a lo largo de dicho borde posterior (28) adyacente a dicha base (22) para reducir la separación del flujo en ese punto; y
- un medio (36b) para limitar el barrido aerodinámico trasero de dicho álabe entre dichos bordes de ataque y posterior (26, 28);
- en el que dicho eje de apilamiento comprende dos componentes ortogonales que incluyen un eje de apilamiento tangencial (36a) y un eje de apilamiento axial (36b), y dicho eje de apilamiento tangencial está curvado en posición adyacente a dicha base (22) del álabe para curvar dicho lado de aspiración (20) en ese punto; y
- en el que dicho medio de limitación del barrido comprende la curvatura de dicho eje de apilamiento axial (36b) y la variación de las distribuciones de la cuerda de dichas secciones transversales, comprendiendo así mismo el medio de limitación del barrido: dicho borde de ataque (26) que tiene una porción exterior axialmente coplanar que incluye dicha punta (24), y una porción interior inclinada hacia delante de dicha base (22) de dicha porción exterior, y dicho borde posterior que tiene una porción interior axialmente coplanar que incluye dicha base (22) y una porción exterior inclinada hacia delante de dicha punta (24) desde dicha porción interior del borde trasero; caracterizado porque:
- dicho eje de apilamiento tangencial (36a) inicialmente se apoya sobre dicha base (22) hacia dicho lado de presión (18), y se apoya luego hacia atrás hacia dicho lado de aspiración (20) hacia dicha punta (24), y la combadura de dichas secciones adyacentes a dicha base varía para curvar dicho lado de aspiración en ese punto; y
- en el que dichas porciones exterior e interior del borde de ataque (26) oscilan entre el 40% y el 60% de la altura de la envergadura, y las porciones interior y exterior del borde trasero (28) oscilan entre el 15% y el 25% de la altura de la envergadura.
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