ES2354499T3 - Turbina de gas con una corona directriz y con un mezclador. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas, especialmente motor de aviación, con al menos un rotor (1) accionado por una turbina (3) y con un estator (2), con traviesas (7) dispuestas de forma fija al estator corriente abajo de la turbina (3) o de la última turbina, con una corona directriz (6) para desviar la traviesa (7) que forma la corriente de gas caliente con torsión, así como con un mezclador (8) dispuesto en el extremo situado corriente abajo del canal de gas caliente (5), en forma de un llamado mezclador de flor con elevaciones (10) y ahondamientos (11) radiales, dispuestos alternadamente a lo largo de su contorno, estando reunidos la corona directriz (6) y el mezclador (8) tanto a nivel constructivo como a nivel de circulación, y estando unidas las traviesas (7) de la corona directriz (6), en la zona de sus extremos radialmente exteriores, con la estructura de pared (9) del mezclador (8), caracterizada porque cada traviesa (7) de la corona directriz (6) está unida, en la zona de su extremo radialmente exterior, al menos en gran parte, con un ahondamiento radial (11) de la estructura de pared (9) del mezclador (8).

Description

La invención se refiere a una turbina de gas con al menos un rotor accionado por una turbina y con un estator, con traviesas que están dispuestas de forma fija al estator corriente abajo de la turbina o de la última turbina y que forman una corona directriz, así como con un mezclador dispuesto en el 5 extremo situado corriente abajo del canal de gas caliente, según el preámbulo de la reivindicación 1.

En las turbinas de gas que se emplean como motores de aviación, la corriente de gas caliente que sale de la última etapa de turbina y que, generalmente, presenta torsión, habitualmente se desvía en la dirección axial con la ayuda de una corona directriz fija al estator, que también se denomina rueda directriz. El resultado de ello es un aumento del empuje axial, y además se reduce la carga de torsión de 10 la suspensión del motor y, por tanto, de la célula del avión. En reactores soplantes, este tipo de coronas directrices con traviesas perfiladas habitualmente también están dispuestas corriente abajo del soplante que genera la parte principal del empuje, en la corriente de derivación "fría".

Los dispositivos conocidos para la reducción del ruido en motores de aviación y otras turbinas de gas son los llamados mezcladores. Éstos añaden a la corriente de gas caliente de alta energía aire 15 ambiente de baja energía, es decir, con una temperatura sensiblemente menor y una menor velocidad. En motores con corriente secundaria / derivación, a la corriente de gas caliente se añade aire de derivación. Generalmente, la corriente mixta originada emite entonces menos ruido que la corriente de gas caliente sin mezclar. En los aparatos voladores militares, los mezcladores se usan también para reducir la signatura infrarroja del rayo de gas de escape, para dificultar la localización del aparato 20 volador. Generalmente, los mezcladores son dispositivos tanto estáticos como pasivos sin alimentación de energía propia. A medida que aumenta el grado de mezcla, generalmente se incrementan también las pérdidas de corriente. Un buen mezclador constituye, pues, un compromiso entre estos dos efectos.

La forma de construcción más usada es el llamado mezclador de flor, conocido por su geometría en forma de flor visto desde atrás. En esta forma de construcción, elevaciones y 25 ahondamientos radiales se alternan en forma de ondas y, cerrados en sí, se extienden al menos aproximadamente en trayectorias circulares alrededor de un punto central. En las elevaciones se desvía gas caliente radialmente hacia fuera, en los ahondamientos se conduce aire ambiente radialmente hacia dentro. Véase al respecto, por ejemplo, la memoria de patente US4,819,425.

Otra forma de construcción está realizada a modo de una camisa cónica con aberturas 30 distribuidas por el contorno y se denomina también mezclador perforado. Véase al respecto la publicación para información de solicitud de patente DE10145489A1.

También existen formas mixtas entre un mezclador de flor y un mezclador perforado, así como una multitud de formas de construcción adicionales con canales de circulación de diferentes diseños y distribución. El principio de funcionamiento básico se mantiene generalmente. 35

El documento US-A-3377804 da a conocer una forma de construcción en la que la corona directriz y el mezclador están reunidos tanto a nivel de construcción como a nivel de circulación, y las traviesas de la corona directriz están unidas, en la zona de sus extremos radialmente exteriores, con la estructura de pared del mezclador.

En cambio, la invención tiene el objetivo de transmitir este principio a un mezclador de flor, de 40 tal forma que con un mayor grado de acción del motor se consigan ahorros en la longitud de construcción, el peso y el número de piezas.

Este objetivo se consigue mediante las características indicadas en la reivindicación 1, en combinación con las propiedades caracterizadoras en el preámbulo de la misma.

La invención consiste en que cada traviesa de la corona directriz está unida, en la zona de su 45 extremo radialmente exterior, al menos en gran parte, con un ahondamiento radial de la estructura de pared del mezclador. Por tanto, existe un elemento de combinación formado por la corona directriz y el mezclador, que se caracteriza por una menor longitud de construcción, un menor peso, menos piezas y una mayor resistencia mecánica estructural. Por la reducción de las superficie de canal sometidas a la corriente cabe esperar también una mejora del grado de acción. 50

Algunas configuraciones preferibles de la invención se indican en las reivindicaciones subordinadas.

A continuación, la invención se describe detalladamente con la ayuda de los dibujos. Muestran en representación simplificada, más esquemática:

La figura 1 una sección longitudinal parcial por una turbina de gas en la zona de salida de su 5 canal de gas caliente,

la figura 2 una vista parcial de la turbina de gas según la figura 1, en la dirección axial, desde atrás,

la figura 3 una sección parcial por la turbina de gas según la extensión de la sección A-A en la figura 1, y 10

la figura 4 una sección parcial por la turbina de gas según la extensión de la sección B-B en la figura 1.

Una combinación de los elementos que influyen en la corriente, es decir, la corona directriz 6 y el mezclador 8, es de interés en primer lugar para turbinas de gas realizadas como motores de aviación, en las que son importantes un empuje axial optimizado, libre de torsión, así como una emisión 15 minimizada de ruido. Entre los motores de aviación son especialmente los reactores soplantes civiles, es decir, los reactores de corriente secundaria, los que deben satisfacer estos criterios. Esto, sin embargo, no excluye que la invención pueda ser ventajosa también para turbinas de gas estacionaras o turbinas de gas no de aviones.

En las figuras está representada exclusivamente una variante con un mezclador 8 realizado 20 como mezclador de flor.

La turbina de gas o el motor de aviación según la figura 1 comprende al menos un rotor 1, así como un estator 2 que aloja el rotor 1. De la turbina 3 que acciona el rotor 1 está representada sólo una corona de álabes 4. Si existen varias turbinas y rotores, en la turbina 3 ha de tratarse de la turbina de baja presión que más corriente abajo está posicionada, así como de la corona de álabes 4 que más 25 corriente arriba está posicionada. El canal de gas caliente 5 es atravesado por la corriente de izquierda a derecha y finaliza en el extremo situado corriente abajo del mezclador 8. El gas caliente que sale con torsión, es decir, con una componente circunferencial relevante, de la última corona de álabes 4, es desviado en la dirección axial por las traviesas 7 perfiladas, curvadas y dispuestas radialmente de la corona directriz, y por tanto es a ser posible libre de torsión. La corona directriz 6 y el mezclador 8 están 30 combinados formando una unidad constructiva y funcional, estando unidos los extremos exteriores de las traviesas 7 con la estructura de pared 9 del mezclador 8. El mezclador 8 presenta en el sentido circunferencial elevaciones 10 y ahondamientos 11 radiales sucesivos que se extienden en forma de meandro entre superficies delimitadoras - imaginarias - al menos aproximadamente rotacionalmente simétricas, por ejemplo superficies cónicas o cilíndricas, produciendo una geometría similar a una flor. 35 Los ahondamientos 11 se sumergen en la corriente de gas caliente, y las elevaciones 10 se sumergen en la corriente de aire / corriente envolvente que las rodea, y provocan corriente abajo la mezcla deseada de los medios de circulación. Opcionalmente, en la estructura de pared 9 del mezclador 8 pueden existir escotaduras 12 (representadas en líneas y puntos) y/o agujeros, así como otros elementos de canal que provoquen procesos de mezcla adicionales. Cada traviesa 7 está unida, por su 40 extremo radialmente exterior, al menos en gran parte, con un ahondamiento 11 de la estructura de pared 9. El número de ahondamientos 11 puede ser igual al número de traviesas 7 o a un múltiplo integral de éste.

Según la figura 2, el número de ahondamientos 11 - y el número de elevaciones 10 - coincide con el número de traviesas 7, es decir, a cada ahondamiento 11 está asignada una traviesa 7. Aquí 45 también se puede ver bien la geometría en forma de flor del mezclador 8.

La figura 3 es el resultado de una sección parcial horizontal según la extensión A-A en la figura 1. A la izquierda se ve la corona de álabes 4 con su sentido de rotación 4 y un triángulo de velocidad en su lado de salida. El vector de velocidad vs resultante en un sistema de referencia fijo al estator está dirigido de abajo a la izquierda a arriba a la derecha. La traviesa 7 que desvía la corriente está curvada 50 de tal forma que la dirección del vector de velocidad vs se extiende aproximadamente de forma tangencial respecto a la línea central del perfil de la traviesa 7 en la zona de su canto de entrada, para que se produzca una entrada favorable de la corriente con la menor pérdida posible. En la representación según la figura 3 hay que tener en cuenta que en la zona de transición de la traviesa 7 a la estructura de pared 9 del mezclador 8 existen radios de transición correspondientes, por lo que a esta altura radial el canto de salida de la traviesa 7 no tiene un canto vivo.

La figura 4 muestra una sección parcial horizontal según la extensión de la sección B-B en la figura 1, es decir, a poca altura radial. Aquí se puede ver bien que la traviesa 7 presenta un perfil 5 favorable para la circulación con un canto de salida vivo, así como con un sentido de salida de corriente axial, en este caso, horizontal. Esto es aplicable aproximadamente a toda la altura radial de cada traviesa 7.

En sus extremos radialmente interiores, las traviesas pueden estar unidas, por ejemplo, a través de un elemento anular, o estar fijadas o guiadas en la estructura interior del estator. Esto no es de 10 importancia para el principio de la invención.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   1. Turbina de gas, especialmente motor de aviación, con al menos un rotor (1) accionado por una turbina (3) y con un estator (2), con traviesas (7) dispuestas de forma fija al estator corriente abajo de la turbina (3) o de la última turbina, con una corona directriz (6) para desviar la traviesa (7) que forma la corriente de gas caliente con torsión, así como con un mezclador (8) dispuesto en el extremo situado 5 corriente abajo del canal de gas caliente (5), en forma de un llamado mezclador de flor con elevaciones (10) y ahondamientos (11) radiales, dispuestos alternadamente a lo largo de su contorno, estando reunidos la corona directriz (6) y el mezclador (8) tanto a nivel constructivo como a nivel de circulación, y estando unidas las traviesas (7) de la corona directriz (6), en la zona de sus extremos radialmente exteriores, con la estructura de pared (9) del mezclador (8), caracterizada porque cada traviesa (7) de la 10 corona directriz (6) está unida, en la zona de su extremo radialmente exterior, al menos en gran parte, con un ahondamiento radial (11) de la estructura de pared (9) del mezclador (8).
2. 2. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque las traviesas (7) de la corona ectriz (6) están unidas, en la parte situada corriente arriba del mezclador (8), con la estructura de pared (9) de la misma. 15
3. 3. Turbina de gas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque las traviesas (7) de la corona directriz (6) están unidas íntegramente con la estructura de pared (9) del mezclador (8).
4. 4. Turbina de gas según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el número de los ahondamientos radiales (11) del mezclador (8) es igual al número de las traviesas (7) de la corona directriz (6) o a un múltiplo integral de éste. 20
5. 5. Turbina de gas según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque respectivamente en la zona de transición desde los ahondamientos radiales (11) hasta las elevaciones radiales (10) en la estructura de pared (9) existen escotaduras (12) en forma de cuña que se extienden hasta el extremo situado corriente abajo del mezclador (8).