ES2372266T3 - Cárter de rueda de álabes móviles de turbomáquina. - Google Patents

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Abstract

Cárter (10) para rueda de álabes móviles (100) de turbomáquina, teniendo el citado cárter una pared interior (15) sensiblemente cilíndrica según un eje de cárter, presentando esta pared cilíndrica una pluralidad de ranuras circunferenciales (11, 12, 13), teniendo cada una, una sección sensiblemente constante en un plano de sección axial, caracterizado porque la superficie de la sección (S1, S2, S3) de las ranuras circunferenciales (11, 12, 13) es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo, de la primera (11) ranura aguas arriba a la última (13) ranura aguas abajo.

Description

Carter para rueda de alabes m6viles de turbomaquina
La invenci6n concierne al ambito de las ruedas m6viles de turbomaquinas y, especialmente, de las ruedas de compresores. En efecto, en las turbomaquinas, las ruedas m6viles asociadas a ruedas fijas, forman etapas de compresor cuya funci6n es comprimir el fluido que las atraviesa. El disefo y la optimizaci6n de una rejilla de ruedas m6viles (es decir, de una sucesi6n de una o varias ruedas m6viles), por ejemplo para un compresor, necesitan tener en cuenta en particular dos objetivos.
El primer objetivo es tener un rendimiento de compresi6n 6ptimo. Este rendimiento de compresi6n puede ser definido como la relaci6n entre la energia idealmente facilitada al fluido para una compresi6n isoentr6pica entre aguas arriba y aguas abajo de la rejilla de ruedas m6viles y la energia realmente facilitada al fluido. (En el presente documento, aguas arriba y aguas abajo estan definidos con respecto al sentido de flujo normal del fluido a traves de la rejilla de ruedas de alabes).
El segundo objetivo es garantizar un "margen de bombeo" suficiente. El bombeo es un fen6meno de inestabilidad del fluido que sobreviene en el seno de un compresor, que se manifiesta por oscilaciones a bajas frecuencias del flujo, que sobrevienen cuando las condiciones de caudal, de alimentaci6n, de presi6n o de temperatura se alejan del ambito de funcionamiento normal de la turbomaquina. Este fen6meno inestable, que generalmente es muy energetico, hace soportar en la turbomaquina fuertes solicitaciones mecanicas (estaticas y dinamicas). Naturalmente, se comprende entonces que un objetivo permanente durante la puesta a punto de una rejilla de ruedas m6viles es extender todo lo que sea posible el ambito de funcionamiento normal de esta y, por ello, del compresor o de la turbomaquina en el cual se encuentra, para disponer asi de un "margen de bombeo" suficiente que permita evitar los fen6menos de bombeo.
De manera conocida, se toman disposiciones especificas en las ruedas de alabes m6viles para optimizar el segundo objetivo, a saber, la optimizaci6n del margen de bombeo.
En una rueda m6vil o rueda de alabes m6viles, la holgura radial de funcionamiento entre el carter fijo y los alabes m6viles genera un flujo secundario denominado flujo de holgura. Este es origen de perdidas significativas del rendimiento de las ruedas m6viles y en una mayoria de los casos puede ser origen de la perdida de estabilidad del compresor (fen6meno de bombeo). Por esto, para satisfacer el segundo objetivo indicado anteriormente y optimizar el margen de bombeo de la rejilla de ruedas m6viles se realiza, de manera conocida, en la pared interna del carter, enfrente de las extremidades de alabes de las ruedas m6viles, un tratamiento de carter.
Un tratamiento de carter consiste por ejemplo en realizar un conjunto de ranuras en la pared interior del carter. Gracias a estas ranuras, se mejora el margen de bombeo de la rueda de alabes. La patente GB 24 08 546 facilita asi un ejemplo de tratamiento de carter para turbomaquina. Sin embargo, en el tratamiento de carter que este divulga, la disposici6n de las ranuras es muy particular: no se trata de ranuras circunferenciales, sino de ranuras circunferencialmente espaciadas una de otra cuya inclinaci6n con respecto a la direcci6n radial es variable. Resulta asi que la fabricaci6n del carter es relativamente compleja y, por tanto cara, y esto sin asegurar que el carter permita al mismo tiempo el aumento de margen de bombeo y la optimizaci6n del rendimiento de compresi6n.
Otro tratamiento de carter, en un carter de acuerdo con el preambulo de la reivindicaci6n 1, esta divulgado por el documento SU 926 365.
En la practica, la mayoria de los tratamientos de carter estan destinados solamente a optimizar el margen de bombeo del compresor, sin preocuparse del impacto, generalmente negativo, que estos tienen sobre el rendimiento de compresi6n.
El objetivo de la presente invenci6n es definir un carter para rueda de alabes m6viles de turbomaquina, teniendo el citado carter una pared interior sensiblemente cilindrica segun un eje de carter, presentando esta pared cilindrica una pluralidad de ranuras circunferenciales, teniendo cada una, una secci6n sensiblemente constante en un plano de secci6n axial, y que este optimizado para simultaneamente mejorar el margen de bombeo y optimizar el rendimiento de la rueda de alabes de turbomaquina asociada.
Este objetivo se consigue gracias al hecho de que en el carter, la superficie de la secci6n (S1, S2, S3) de las ranuras circunferenciales (11, 12, 13) es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo, de la primera (11) ranura aguas arriba a la ultima (13) ranura aguas abajo.
Por extremidad aguas arriba, se designa en lo que sigue una extremidad del carter que esta prevista para quedar dispuesta en el lado aguas arriba del carter.
Por ranura circunferencial, se entiende ranuras que estan dispuestas sensiblemente en un plano perpendicular al eje de la rueda de alabes. Estas son tipicamente ranuras circunferenciales trazadas en un plano perpendicular al eje de la rueda de alabes. Estas ranuras no son necesariamente continuas, y no dan necesariamente toda la vuelta al car
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ter. Sin embargo, para que estas tengan una eficacia suficiente, especialmente en la mejora del margen de bombeo de la rejilla de ruedas m6viles, es necesario que estas ocupen una gran parte de la circunferencia del carter.
El hecho de que cada ranura circunferencial tenga una secci6n sensiblemente constante en un plano de secci6n axial significa que cualquiera que sea el plano de secci6n axial elegido para evaluar la secci6n, la secci6n de la ranura es sensiblemente la misma.
El interes de la invenci6n resulta de las observaciones siguientes: por una parte, la primera ranura, en el lado aguas arriba de la rueda de alabes, es esencialmente la que contribuye a la mejora del margen de bombeo, contribuyendo las otras ranuras de manera decreciente a esta mejora, en funci6n de su alejamiento con respecto a la primera ranura, por otra parte, cada una de estas ranuras tiene un impacto generalmente negativo sobre el rendimiento de compresi6n de la rejilla de alabes m6viles.
Asi, para optimizar simultaneamente el rendimiento de la rueda de alabes y la mejora del margen de bombeo, de acuerdo con la invenci6n, se privilegia la superficie de la secci6n de la primera o de las primeras ranuras con respecto a las ranuras siguientes (es decir, de un grupo de ranuras situado aguas arriba de la ranura o de las otras ranuras situadas mas aguas abajo).
En general, la primera ranura aguas arriba es la que tiene una superficie de secci6n superior a la de todas las otras ranuras. Sin embargo, la invenci6n se refiere igualmente a un modo de realizaci6n en el cual el carter presente de aguas arriba a aguas abajo, dos ranuras de secciones de igual superficie, despues dos ranuras de secciones de superficie mas pequefa y asi sucesivamente. De acuerdo con la invenci6n, pueden considerarse todas las variaciones de las superficies de secci6n de las ranuras, a reserva de que la superficie de la secci6n de las citadas ranuras circunferenciales sea decreciente de aguas arriba a aguas abajo, de la primera a la ultima ranura. Este decrecimiento puede ser regular como por ejemplo cuando la disminuci6n de superficie de la secci6n de las ranuras de aguas de arriba a aguas abajo es lineal. En otro modo de realizaci6n, el decrecimiento de la superficie de secci6n de las ranuras puede hacerse igualmente por escalones.
Se observara que las ranuras que hay que considerar son las ranuras dispuestas sensiblemente enfrente de los alabes de la rueda de alabes, independientemente de la forma del carter aguas arriba y aguas abajo de la rueda de alabes.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, las ranuras se extienden, cada una, sensiblemente en un plano perpendicular al eje del carter.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, la profundidad de la primera de las citadas ranuras circunferenciales es superior a la de las ranuras siguientes situadas mas aguas abajo.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, la profundidad de las citadas ranuras circunferenciales es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo.
Ventajosamente, el decrecimiento de profundidad de las citadas ranuras circunferenciales es lineal.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, la anchura de la primera de las citadas ranuras circunferenciales es superior a la de las ranuras siguientes situadas mas hacia aguas abajo.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, la anchura de las citadas ranuras circunferenciales es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo segun el eje del carter.
Los diferentes modos de realizaci6n citados anteriormente permiten, de acuerdo con la invenci6n, optimizar simultaneamente el rendimiento de la rueda de alabes y la mejora del margen de bombeo actuando sobre diferentes parametros que asi pueden ser optimizados en funci6n de los otros requisitos que haya que tener en cuenta en el disefo de la rejilla de ruedas m6viles.
De acuerdo con un modo de realizaci6n, el carter presenta entre ranuras consecutivas superficies de uni6n sensiblemente cilindricas, y el diametro de las superficies de uni6n es sensiblemente igual al valor medio de los diametros interiores del carter medidos respectivamente aguas arriba y aguas abajo de las ranuras.
Gracias a esta disposici6n, el flujo a nivel de la holgura entre las extremidades de alabes y el carter se produce, si se excluyen las ranuras, en un espacio cuyo diametro evoluciona de una manera regular, y asi se reducen las turbulencias no deseables.
Un segundo objeto de la invenci6n es definir una turbomaquina de rendimiento elevado y cuyo margen de bombeo sea importante.
Este objetivo se consigue gracias al hecho de que la turbomaquina comprende una rueda de alabes m6viles, y un carter tal como se ha definido anteriormente. Asi, las prestaciones de la turbomaquina son optimizadas, y esta se beneficia de un rendimiento optimizado con un margen de bombeo mejorado.
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La invenci6n se comprendera bien y sus ventajas se pondran de manifiesto mejor con la lectura de la descripci6n detallada que sigue, de un modo de realizaci6n representado a titulo de ejemplo no limitativo. La descripci6n se refiere a los dibujos anejos, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva de una rueda de alabes m6viles para turbomaquina que comprende un carter de acuerdo con la invenci6n�
la figura 2 es un corte axial de la rueda de alabes m6viles presentada en la figura 1 que hace aparecer el tratamiento de carter objeto de la invenci6n.
Refiriendose a la figura 1, se va a describir ahora un carter para ruedas de alabes m6viles de acuerdo con la invenci6n.
La figura 1 representa una rueda de alabes 100. Esta rueda de alabes 100 se compone principalmente de un rotor constituido por un disco rotor 30 y alabes 20, m6vil en rotaci6n segun un eje � en el interior de un estator constituido por un carter 10 fijo. En la rueda de alabes, el disco rotor 30 es una pieza en forma de anillo cuya funci6n es mantener y mover en rotaci6n los alabes m6viles 20. Los alabes m6viles estan generalmente fijados al disco rotor por sus pies con la ayuda de grapas denominadas de clavo o de martillo. Cada uno de los alabes m6viles esta asi constituido por un pie, una plataforma 22 que constituye la parte interna de la secci6n de paso del flujo, y un perfil aerodinamico 23. Los alabes m6viles pueden estar realizados igualmente en el mismo bloque de material que el disco rotor, se habla en estos casos de disco con alabes monobloque. El flujo fluye sensiblemente segun el eje � de la rueda de alabes, en los pasos interalabes dispuestos entre los perfiles aerodinamicos 23 de los diferentes alabes. En el sentido radial, el paso del flujo se hace entre las plataformas 22 de los alabes en el interior del carter 10 de la rueda de alabes. Cada alabe comprende un perfil aerodinamico 23 dispuesto en una direcci6n sensiblemente radial. El pie del alabe esta dispuesto hacia el centro de la rueda de alabes, mientras que el perfil 23 se extiende hacia el exterior. La extremidad del perfil 23, en el transcurso de la rotaci6n de la rueda de alabes, es llevada por tanto a desplazarse a gran velocidad en la proximidad del carter fijo 10. Para la eficacia de la rueda de alabes, el control de la holgura (B1, B2) entre la extremidad del alabe y la pared interna 15 del carter es importante. Asi, es esencial que esta holgura sea reducida. Esta holgura se detallara en relaci6n con la figura 2.
La figura 2 es un corte que hace aparecer la extremidad de un alabe 20 enfrente del corte correspondiente del carter
10. Para permitir la rotaci6n relativa del alabe 20 con respecto al carter 10, entre el alabe y el carter esta dispuesta una holgura. Esta toma asi un valor B1 aguas arriba del alabe y un valor B2 aguas abajo en el ejemplo representado. El corte hace aparecer las secciones de tres ranuras 11, 12 y 13 radiales o sensiblemente radiales. Estas tres ranuras estan dispuestas enfrente de la extremidad del alabe 20� estas pueden extenderse parcialmente aguas arriba o aguas abajo de esta extremidad. Estas ranuras 11, 12 y 13 constituyen un tratamiento de carter cuyo objetivo es mejorar el margen de bombeo en la turbomaquina de la que forma parte la rueda de alabes, al tiempo que se disponga de un rendimiento 6ptimo de la rueda de alabes. Para lograr este objetivo, la disposici6n de las ranuras de acuerdo con la invenci6n hace aparecer ranuras 11, 12, 13 cuyas respectivas superficies de secci6n S1, S2, S3 son decrecientes de aguas arriba hacia aguas abajo. Las ranuras 11, 12, y 13 son ranuras circulares radiales que dan la vuelta al carter en un plano perpendicular al eje � de este. Las superficies S1, S2, S3 decrecen linealmente. Este decrecimiento de la superficie de las ranuras de aguas arriba hacia aguas abajo asi como la preeminencia de la primera ranura con respecto a las siguientes se obtiene haciendo variar a la vez la anchura de las ranuras pero tambien su profundidad.
Asi, la primera ranura tiene la anchura mas grande D1 medida segun el eje � del carter, pero tambien la profundidad mas grande E1 medida radialmente. De manera similar, las profundidades de ranuras decrecen, linealmente, de aguas arriba hacia aguas abajo entre las tres ranuras 11, 12, 13 y presentan asi profundidades E1, E2, E3 linealmente decrecientes� asimismo, las anchuras medidas segun el eje � del carter D1, D2 y D3 respectivamente de las tres ranuras son a su vez linealmente decrecientes de aguas arriba hacia aguas abajo.
Para reducir al minimo las turbulencias que se producen entre la extremidad del alabe 20 y la pared del carter 10, las holguras entre la extremidad del alabe y la pared 15 interna del carter 10 varian de manera continua entre aguas arriba y aguas abajo de la rueda de alabes.
A partir de la extremidad del alabe, estas holguras son, de aguas arriba hacia aguas abajo, una primera holgura B1 hasta la pared interna 15 del carter, una holgura C1 hasta la superficie de uni6n 16 entre las ranuras 11 y 12, una holgura C2 hasta la superficie de uni6n 1� entre las ranuras 12 y 13, y finalmente una holgura B2 hasta la pared interna 15 del carter (No estando definida la noci6n de holgura en la vertical de las ranuras 11, 12 y 13).
Para permitir un paso regular, poco generador de turbulencias a traves de la rueda de alabes en la proximidad de las extremidades radialmente exteriores de los alabes m6viles, las holguras B1, C1, C2 y B2 tienen valores pr6ximos. Correlativamente, se puede observar igualmente que las superficies de uni6n 16 y 1� entre ranuras, son sensiblemente iguales y tienen diametros iguales a un diametro medio entre el diametro aguas arriba A1 medido aguas arriba del alabe 20 y el diametro A2 medido aguas abajo de este.
Las ranuras 11, 12, 13 representadas en la figura 2 se extienden radialmente, es decir cada una sensiblemente en un plano perpendicular al eje del carter. De acuerdo con una variante, estas ranuras pueden igualmente ser oblicuas, es decir las ranuras no estan practicadas perpendicularmente a la pared 15 interna del carter, sino en oblicuo, ya sea hacia aguas arriba, o bien hacia aguas abajo de la rueda de alabes.
5 Por otra parte, en la practica, la profundidad E1 de las ranuras varia tipicamente de la mitad de la holgura media hasta treinta veces esta, siendo medida la holgura media entre la extremidad del alabe 20 y la pared interna 15 del carter 10. Por otra parte, tipicamente, la profundidad, la superficie y�o la anchura de la ranura esta dividida por cinco, entre la primera ranura aguas arriba del tratamiento de carter y la ultima ranura del tratamiento de carter.
�inalmente, el modo de realizaci6n presentado en la figura 2 comprende tres ranuras, cuyas secciones presentan
10 superficies regularmente decrecientes. Pueden ser utilizados otros numerosos modos de realizaci6n. En particular, en lugar de tener estas secciones superficies regularmente decrecientes, se puede tener un primer grupo de ranuras aguas arriba, que tengan, todas, una misma superficie de secci6n, que sea superior a la comun de las otras ranuras situadas mas aguas abajo.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Carter (10) para rueda de alabes m6viles (100) de turbomaquina, teniendo el citado carter una pared interior (15) sensiblemente cilindrica segun un eje de carter, presentando esta pared cilindrica una pluralidad de ranuras circunferenciales (11, 12, 13), teniendo cada una, una secci6n sensiblemente constante en un plano de secci6n axial,
    5 caracterizado porque la superficie de la secci6n (S1, S2, S3) de las ranuras circunferenciales (11, 12, 13) es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo, de la primera (11) ranura aguas arriba a la ultima (13) ranura aguas abajo.
  2. 2. Carter de acuerdo con la reivindicaci6n 1, en el cual la disminuci6n de superficie de secci6n (S1, S2, S3) de las ranuras de aguas arriba hacia aguas abajo es lineal.
  3. 3. Carter de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el cual la profundidad (E1) de la primera de las citadas ranu10 ras circunferenciales es superior a las (E2, E3) de las ranuras siguientes (12, 13) situadas mas aguas abajo
  4. 4.
    Carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual la profundidad (E1, E2, E3) de las citadas ranuras circunferenciales es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo.
  5. 5.
    Carter de acuerdo con la reivindicaci6n 4, en el cual el decrecimiento de profundidad de las citadas ranuras circunferenciales es lineal.
    15 6. Carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual la anchura (D1) de la primera (11) de las citadas ranuras circunferenciales es superior a la (D2, D3) de las ranuras siguientes situadas mas aguas abajo.
    �. Carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la anchura (D1, D2, D3) de las citadas ranuras circunferenciales es decreciente de aguas arriba hacia aguas abajo.
    20 8. Carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a �, que presenta entre ranuras consecutivas superficies de uni6n (16, 1�) sensiblemente cilindricas, en el cual el diametro de las superficies de uni6n es sensiblemente igual al valor medio de los diametros interiores (B1, B2) del carter (10) medidos respectivamente aguas arriba y aguas abajo de las ranuras.
  6. 9. Carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual las ranuras (11, 12, 13) se extien25 den cada una sensiblemente en un plano perpendicular al eje (�) del carter.
  7. 10. Turbomaquina que comprende una rueda de alabes m6viles (100) y un carter de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.
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