ES2606831T3 - Aleta para difusor de un compresor radial o mixto - Google Patents

Aleta para difusor de un compresor radial o mixto Download PDF

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ES2606831T3 ES14718669.6T ES14718669T ES2606831T3 ES 2606831 T3 ES2606831 T3 ES 2606831T3 ES 14718669 T ES14718669 T ES 14718669T ES 2606831 T3 ES2606831 T3 ES 2606831T3
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Abstract

Aleta (10) de un difusor (5) para un compresor (2) radial o mixto de un motor, (1) que comprende un borde de ataque (11) dispuesto enfrente de un flujo de gas, un borde de fuga (12) opuesto al borde de ataque (11), una pared lateral de extradós (13) y una pared lateral de intradós (14) que unen el borde de ataque (11) al borde de fuga (12), comprendiendo la aleta (10) un perfil cuya línea de combadura (15) presenta al menos dos puntos de inflexión (I1, I2) entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), estando caracterizada la aleta por que la curvatura de la pared de intradós (14) y la curvatura de la pared de extradós (13) siguen sensiblemente la curvatura de la línea de combadura (15), de modo que: - la pared de intradós (14) comprende, entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), al menos dos partes convexas (14a, 14c) separadas por una parte cóncava (14b), y - la pared de extradós (13) comprende, entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), al menos dos partes cóncavas (13a, 13c) separadas por una parte convexa (13b) y por que el perfil define una cuerda (16) que se extiende entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), y las partes convexas (14a, 14c) de la pared de intradós (14) y las partes cóncavas (13a, 13c) de la pared de extradós (13) se extienden al menos parcialmente en el mismo lado de la citada cuerda (16).

Description

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DESCRIPCION
Aleta para difusor de un compresor radial o mixto Ambito de la invencion
La invencion concierne de manera general a los motores de turbina de gas, y de modo mas particular a una aleta de un difusor para un compresor radial o mixto, a una etapa de difusion de un compresor radial o mixto de una turbina de gas, as! como a un compresor asociado.
Antecedente tecnologico
Un compresor comprende uno o varios discos giratorios (rotor o rodete), con alabes o no y una o varias ruedas de alabes fijos (etapas rectificadoras).
Un compresor radial (o centrlfugo) tiene al menos una etapa de compresion radial, es decir apta para realizar un flujo de gas perpendicular al eje central del compresor. El mismo comprende al menos un rodete de palas radiales que aspiran el aire axialmente, que, bajo el efecto de la fuerza radial, es acelerado, comprimido e impulsado radialmente. Este aire es rectificado despues en un difusor (con alabes fijos) que transforma una parte de su velocidad en presion estatica ralentizando los gases a la salida del rodete. La operacion debe desarrollarse con un mlnimo de perdida de presion total al tiempo que se mantenga un nivel de estabilidad del compresor satisfactorio a fin de mantener un margen de bombeo aceptable para el funcionamiento de la turbomaquina.
Los gases son guiados entonces hacia la camara de combustion.
Un compresor mixto (o helicoidal radial) tiene al menos una etapa de compresion inclinada con respecto al citado eje central, de modo que el fluido sale del rodete del compresor formando un angulo no nulo con la direccion radial.
Un difusor de un compresor radial esta compuesto de una rueda formada por dos bridas entre las cuales circulan los gases de manera radial o inclinada a partir del centro hacia la periferia. Entre las bridas estan repartidas aletas a lo largo de toda la rueda. Estas aletas forman una parrilla de flujo entre los bordes de ataque de estas aletas y los bordes de fuga.
Sin embargo, la desviacion del flujo de aire a la salida del rodete por las aletas del difusor puede provocar un despegue del fluido en el intrados o el extrados de las aletas, cuyo despegue, siempre que el mismo sea importante, puede conducir al desenganche del fluido y, por consiguiente, al bombeo. Se sabe que este fenomeno de bombeo es nefasto para los elementos constitutivos del compresor, de modo que se intenta evitarlo en la medida de lo posible.
Habitualmente, las aletas del difusor estan construidas a partir de una pared intrados y una pared extrados en forma de arco de clrculo, y comprenden una ley de angulo casi lineal. Un ejemplo de una aleta de este tipo esta ilustrado en la figura 1. Sin embargo, estas aletas presentan una limitacion en terminos de capacidad difusora. En efecto, un aumento de la difusion por estas aletas provoca una calda de rendimiento isoentropico y un aumento de la inestabilidad del compresor.
En el documento WO 2012/019650 se ha propuesto un difusor para un compresor radial que comprende aletas de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1. En particular, este documento describe aletas cuyo perfil presenta una llnea de combadura definida por una funcion que tiene un punto de inflexion. La llnea de combadura presente a tal efecto una forma de « S », y permite distribuir las cargas a lo largo del perfil de la aleta, con una carga pequena en la zona del borde de ataque, la cual aumenta progresivamente hasta el punto de inflexion de la aleta en la que la misma se hace maxima. Sin embargo, la puesta en practica de una aleta que presenta tal perfil en « S » necesita restringir la seccion en el cuello del difusor (es decir la seccion de entrada del fluido). Esto tiene por efecto desplazar la caracterlstica Caudal/Tasa hacia caudales mas pequenos, y reduce el caudal de bloqueo aerodinamico del difusor.
Aletas de perfil similar en forma de « S » han sido igualmente descritas en el documento JP 2011-252424. En particular, las aletas de este documento estan configuradas de modo que un angulo formado entre la llnea de combadura y el perfil circunferencial aumenta, despues disminuye, despues aumenta de nuevo entre el borde de ataque y el borde de fuga de la aleta. En este caso tambien, la seccion en el cuello del difusor debe ser por tanto restringida, lo que tiene por efecto reducir la estabilidad del difusor.
Resumen de la invencion
Un objetivo de la invencion es mejorar el rendimiento y el margen de bombeo de los difusores de los compresores radiales y mixtos de la tecnica anterior.
En particular, la invencion tiene por objetivo proponer un difusor de un compresor radial o mixto capaz de limitar la calda del rendimiento isoentropico del compresor y mejorar la capacidad de ralentizar y de rectificar el flujo facilitado por el rodete del compresor al tiempo que se mantenga la estabilidad de este flujo .
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Para esto, la invencion propone una aleta de un difusor para un compresor radial o mixto de un motor, que comprende un borde de ataque dispuesto enfrente de un flujo de gas, un borde de fuga opuesto al borde de ataque, una pared lateral de intrados y una pared lateral de extrados que unen el borde de ataque al borde de fuga. El perfil de la aleta comprende una llnea de combadura que presenta al menos dos puntos de inflexion entre el borde de ataque y el borde de fuga. La curvatura de la pared de intrados y la curvatura de la pared de extrados siguen por otra parte sensiblemente la curvatura de la llnea de combadura, de modo que:
- la pared de intrados comprende, entre el borde de ataque y el borde de fuga, al menos dos partes convexas separadas por una parte concava, y
- la pared de extrados comprende, entre el borde de ataque y el borde de fuga, al menos dos partes concavas
separadas por una parte convexa, y el perfil define una cuerda que se extiende entre el borde de ataque y el borde
de fuga, y las partes convexas de la pared de intrados y las partes concavas de la pared de extrados se extienden al menos parcialmente en el mismo lado de la citada cuerda.
La invencion propone igualmente un difusor que comprenda al menos una aleta como la descrita anteriormente, as! como un compresor radial o mixto que comprenda tal difusor, y un motor que comprenda tal compresor.
Breve descripcion de los dibujos
Oras caracterlsticas, objetivos y ventajas de la presente invencion se pondran mejor de manifiesto en la lectura de la descripcion detallada que sigue, y en relacion con los dibujos anejos dados a tltulo de ejemplos no limitativos y en los cuales:
La figura 1 ilustra un ejemplo de perfil de palas de un difusor de acuerdo con la tecnica anterior,
La figura 2 ilustra un ejemplo de perfil de palas de un difusor de acuerdo con la invencion,
La figura 3 es una vista en detalle de una pala de la figura 2, en la cual se ha representado una cuerda y una llnea media de la pala, y
La figura 4 ilustra un ejemplo de motor que puede comprender un difusor de acuerdo con la invencion.
Descripcion detallada de un modo de realizacion
Un difusor radial de acuerdo con la presente invencion esta destinado especialmente a ser utilizado con un compresor 2 de tipo radial o mixto.
La figura 4 es un corte parcial de un motor 1 que comprende un compresor radial 2. Un flujo gaseoso F es aspirado primero en una manga de entrada de aire, despues comprimido entre las palas 3a de un rodete 3 del compresor radial 2 y su carter. El compresor 2 es de simetrla axial alrededor de un eje X. El flujo gaseoso F comprimido sale entonces radialmente del rodete 3. Si el compresor 2 fuera mixto, el flujo gaseoso saldrla segun un angulo no nulo con respecto a una direccion radial al eje X.
El aire comprimido sale radialmente del rodete 3 al tiempo que presente un momento cinetico y pasa a un difusor 5. La funcion del difusor 5 es convertir una parte de la energla cinetica de los gases que provienen del compresor 2 en presion estatica ralentizando la velocidad de los gases, y rectificar el flujo que sale del rodete 3. El mismo comprende para esto una pluralidad de aletas 10 dispuestas segun una circunferencia, que se extienden entre una brida delantera 5a y una brida trasera 5b. Cada una de las aletas 10 presentan, de manera conocida, un borde de ataque 11 dispuesto enfrente de un elemento de gas, un borde de fuga 12 opuesto al borde de ataque 11, una pared lateral de extrados 13 y una pared lateral de intrados 14 que unen el borde de ataque 11 al borde de fuga 12.
Las bridas delantera 5a y trasera 5b pueden ser planas. En variante, al menos una de las bridas 5a, 5b puede comprender, en el espacio que las mismas definen entre si, al menos una zona de curvatura alternada entre dos aletas 10, de modo que la vena de aire pueda comprender meridianos de cabeza y de pie evolutivos. Podra referirse al documento FR 2 976 633 a nombre de la Solicitante para mas detalle sobre las bridas delantera 5a y/o trasera 5b que presentan tal curvatura alternada.
De acuerdo todavla con otra variante, las bridas 5a, 5b pueden ser de formas evolutivas simetricas con respecto a un eje.
Por otra parte, las bridas delantera 5a y trasera 5b pueden estar dispuestas de manera que permitan la aspiracion y el soplado en el difusor 5.
Al menos una de las aletas 10 del difusor 5, preferentemente el conjunto de las aletas 10, comprende, de aguas arriba a aguas abajo en el sentido del flujo de los gases:
- una primera zona, denominada de captacion, cuya forma esta configurada para adaptarse al flujo aguas arriba, y
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- una segunda zona, denominada de difusion, cuya forma esta configurada para rectificar de modo mas firme el flujo que proviene de la zona de captacion, a fin de obtener una presion estatica mas importante a la salida del difusor 5 y de facilitar la alimentacion de la pieza aguas abajo, generalmente un difusor 5 axial.
La aleta 10 comprende un perfil cuya llnea de combadura 15 presenta al menos dos puntos de inflexion I1, I2 entre su borde de ataque 11 y su borde de fuga 12, es decir al menos dos cambios de concavidad.
En lo que sigue, se entendera por « punto de inflexion » un punto de una curva a nivel del cual la curva atraviesa su tangente. Por otra parte, por perfil de aleta 10, se entendera aqul una seccion transversal de la aleta 10, es decir una seccion de la aleta 10 segun un plano globalmente perpendicular al extrados 13 y al intrados 14 de la aleta 10. Finalmente, la « llnea de combadura 15 » del perfil corresponde a la llnea ficticia que comprende el conjunto de los puntos equidistantes del extrados 13 y del intrados 14 de la aleta 10, mientras que la « cuerda 16 » corresponde al segmento que tiene por extremidades el borde de ataque 11 y el borde de fuga 12.
Los puntos de inflexion I1, I2 delimitan conjuntamente la zona de captacion, que comprende la parte de la aleta 10 que se extiende aguas arriba del primer punto de inflexion I1, de la zona de difusion, que comprende la parte de la aleta 10 que se extiende aguas abajo del segundo punto de inflexion I2.
Preferentemente, a fin de optimizar la estabilidad del difusor 5 y la presion estatica a la salida del difusor 5, los puntos de inflexion I1, I2 estan situados entre el 10% y el 90% de la cuerda 16, preferentemente entre el 30% y el 70%. Por ejemplo, un primer I1 de los puntos de inflexion puede estar situado entre el 35% y el 55% de la cuerda 16, mientras que el segundo punto de inflexion I2 esta situado entre el 55% y el 65% de la cuerda 16. En particular los puntos de inflexion I1, I2 pueden estar dispuestos simetricamente con respecto al centro de la cuerda 16.
En variante, el perfil de la aleta 10 puede comprender mas puntos de inflexion I1, I2.
Asl, la llnea de combadura 15 presenta sucesivamente, entre el borde de ataque 11 y el borde de fuga 12, al menos, una primera concavidad, una segunda concavidad diferente de la primera concavidad, y despues una tercera concavidad. Cuando los puntos de inflexion I1, I2 son simetricos con respecto al centro de la cuerda 16, la segunda concavidad esta entonces centrada en la aleta 10.
De acuerdo con la invencion la pared de intrados 14 y la pared de extrados 13 siguen sensiblemente la curvatura de la llnea de combadura 15, y por tanto presentan otros tantos puntos de inflexion I1, I2.
Como ilustran las figuras 2 y 3, la pared de intrados 14 y la pared de extrados 13 comprenden por tanto dos puntos de inflexion I1, I2. La pared de intrados 14 comprende una parte convexa 14a entre el borde de ataque 11 y el primer punto de inflexion, despues una parte concava 14b entre los dos puntos de inflexion I1, I2 y despues una parte convexa 14c entre el segundo punto de inflexion y el borde de fuga 12. La pared de extrados 13 comprende a su vez una parte concava 13a entre la borde de ataque 11 y el primer punto de inflexion, despues una parte convexa 13b entre los dos puntos de inflexion I1, I2, y despues una parte concava 13c entre el segundo punto de inflexion y el borde de fuga 12.
Por otra parte, la llnea de combadura 15 se extiende entre la pared de intrados 14 y la cuerda 16. En otras palabras, en cualquier punto entre el borde de ataque 11 y el borde de fuga 12, la llnea de combadura 15 y la pared de intrados 14 se extienden a distancia de la cuerda 16. Ademas, las zonas concavas de la pared de extrados 13 atraviesan la cuerda 16, y por consiguiente se encuentran al menos parcialmente en el mismo lado que la llnea de combadura 15 de la citada cuerda 16.
Gracias a esta configuracion, hecha posible por los dos puntos de inflexion I1, I2 de la llnea de combadura 15, el borde de ataque 11 y el borde de fuga 12 estan orientados en el mismo sentido general con respecto al flujo de los gases que el encontrado habitualmente en los difusores 5 tradicionales, lo que permite preservar la seccion en el cuello, es decir la seccion de entrada del fluido entre dos aletas 10 adyacentes. De este modo, se conserva la estabilidad del difusor 5 al tiempo que se mejora la difusion del flujo.
El angulo de ataque a (que corresponde al angulo entre la tangente a la llnea de combadura 15 a nivel del borde de ataque 11 y la cuerda 16) puede ser sensiblemente identico al de las aletas 10 tradicionales. Por ejemplo, el angulo de ataque a puede estar comprendido entre aproximadamente 0° y aproximadamente 45°. De este modo, es posible conservar sensiblemente la forma de las aletas 10 de difusores 5 tradicionales en su zona de captacion, lo que permite preservar la estabilidad del flujo. Ademas, la presencia del segundo punto de inflexion I2 permite modificar la forma de las aletas 10 en su zona de difusion para aumentar el rendimiento del difusor 5, sin por ello modificar la forma de la zona de captacion. En efecto, actualmente es posible aumentar el angulo entre la llnea de combadura 15 a nivel del borde de fuga 12 y la cuerda 16, independientemente de la forma de la zona de captacion, lo que permite rectificar de modo mas energico el flujo de los gases y por tanto aumentar la presion estatica y la tasa de presion total a igual calentamiento a la salida del difusor 5, y por tanto mejorar el rendimiento isoentropico del difusor 5 al tiempo que se mantenga el margen de bombeo y por tanto la estabilidad del compresor 2.
Como se indico anteriormente, la llnea de combadura 15 del perfil de la aleta 10 comprende al menos dos puntos de inflexion I1, I2. Preferentemente, el numero de puntos de inflexion I1, I2 puede ser par a fin de conservar la
orientacion general del borde de ataque 11 y del borde de fuga 12 con respecto al flujo, y por tanto de preservar seccion en el cuello. Por otra parte, de acuerdo con la invencion, la linea de combadura 15 correspondiente se extiende aqui de nuevo entre la pared de intrados 14 y la cuerda 16, de modo que, en cualquier punto entre el borde de ataque 11 y el borde de fuga 12, la linea de combadura 15 y la pared de intrados 14 se extienden a distancia de 5 la cuerda 16, y las zonas concavas de la pared de extrados 13 atraviesan la cuerda 16.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Aleta (10) de un difusor (5) para un compresor (2) radial o mixto de un motor, (1) que comprende un borde de ataque (11) dispuesto enfrente de un flujo de gas, un borde de fuga (12) opuesto al borde de ataque (11), una pared lateral de extrados (13) y una pared lateral de intrados (14) que unen el borde de ataque (11) al borde de fuga (12), comprendiendo la aleta (10) un perfil cuya llnea de combadura (15) presenta al menos dos puntos de inflexion (I1, I2) entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12),
    estando caracterizada la aleta por que la curvatura de la pared de intrados (14) y la curvatura de la pared de extrados (13) siguen sensiblemente la curvatura de la llnea de combadura (15), de modo que:
    - la pared de intrados (14) comprende, entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), al menos dos partes convexas (14a, 14c) separadas por una parte concava (14b), y
    - la pared de extrados (13) comprende, entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), al menos dos partes concavas (13a, 13c) separadas por una parte convexa (13b)
    y por que el perfil define una cuerda (16) que se extiende entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), y las partes convexas (14a, 14c) de la pared de intrados (14) y las partes concavas (13a, 13c) de la pared de extrados (13) se extienden al menos parcialmente en el mismo lado de la citada cuerda (16).
  2. 2. Aleta (10) de acuerdo con la reivindicacion 1, en la cual el perfil define una cuerda (16) que se extiende entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12) y, en cualquier punto entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), la citada cuerda (16) esta situada a distancia de la llnea de combadura (15).
  3. 3. Aleta (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en la cual el perfil define una cuerda (16) que se extiende entre el borde de ataque (11) y el borde de fuga (12), y los puntos de inflexion (I1, I2) estan situados entre el 10% y el 90% de la citada cuerda (16).
  4. 4. Aleta (10) de acuerdo con la reivindicacion 3, en la cual un primer (I1) de los citados puntos de inflexion esta situado entre el 35% y el 55% de la cuerda (16), y un segundo (12) de los citados puntos de inflexion esta situado entre el 55% y el 65% de la citada cuerda (16).
  5. 5. Aleta (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende un angulo de ataque (a) comprendido entre aproximadamente 0° y aproximadamente 45°.
  6. 6. Difusor (5) de un compresor radial o mixto de un motor (1) que comprende al menos una aleta (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5.
  7. 7. Compresor (2) radial o mixto de un motor (1) que comprende un difusor (5) de acuerdo con la reivindicacion 6.
  8. 8. Motor (1), que comprende un compresor (2) radial o mixto de acuerdo con la reivindicacion 7.
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