ES2620376T3

ES2620376T3 - Álabe de una turbomáquina con generador de vórtices

Info

Publication number: ES2620376T3
Application number: ES09775980.7T
Authority: ES
Inventors: Andreas Fiala; Jochen Gier
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-07-19
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2017-06-28
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: US20110182746A1; DE102008033861A1; WO2010009707A3; EP2315917B1; CN102099546B; EP2315917A2; CN102099546A; CA2731142A1; US8814529B2; WO2010009707A2

Abstract

Álabe de una turbomáquina con un perfil que desvía el flujo y que presenta un lado de presión y un lado de aspiración, en particular álabe de turbina de una turbina de gas, cuya superficie de perfil (3) en el lado de aspiración presenta al menos una propiedad de superficie geométrica (4) que comprende una parte de la superficie de perfil (3) y que está realizada en forma al menos de una onda de superficie, que está superpuesta localmente al perfil de manera que su cresta de onda forma una elevación en el perfil, su valle de onda forma una depresión en el perfil, en donde la onda de superficie se convierte en el perfil sin dobleces y sin escalones en su extremo aguas arriba y en su extremo aguas abajo y la cresta de onda y el valle de onda discurren en la dirección de la altura del álabe con un ángulo de 45º a 135º respecto a la proyección meridiana del flujo fuera de las capas límite del perfil de álabe, caracterizado por que la propiedad de superficie geométrica (4) comprende varias ondas de superficie cuyas amplitudes varían.

Description

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DESCRIPCION

Alabe de una turbomaquina con generador de vortices

La presente invencion se refiere a una construccion de alabe con generador de vortices o generador de remolinos en forma de una propiedad de superficie al menos parcial segun el preambulo de la reivindicacion 1.

Construcciones de alabe de este tipo se encuentran, por ejemplo, en rotores o rejillas de alabes (alabes de rodete y/o directores) de turbinas de baja presion de un accionamiento de avion.

La influencia en un flujo, en particular en la capa limite proxima a la superficie, mediante generadores de remolinos (tambien denominados turbuladores) es una tematica examinada en gran medida al menos en el plano de la investigacion. Basicamente la capa lfmite se origina por el rozamiento superficial de las partfculas que fluyen y forma el puente reotecnico entre el perfil y el flujo ideal, no menoscabado por el rozamiento superficial a una distancia de la pared de perfil recorrida. A este respecto, el espesor de la capa lfmite depende del numero de Reynolds. Con longitud de trayecto creciente del flujo a lo largo del perfil de pared aumenta continuamente este espesor de la capa lfmite. Finalmente las partfculas de flujo comienzan a perder el comportamiento de flujo laminar (capa lfmite laminar) y realizan movimientos transversales mas o menos intensos (capa lfmite turbulenta). La transicion de la capa lfmite laminar a la capa lfmite turbulenta (tambien denominada zona de cambio brusco) depende en este caso de una serie de magnitudes de influencia, entre otras la rugosidad superficial de la pared de perfil recorrida, gradientes de presion, alteraciones de velocidad y presion del flujo exterior, como tambien del numero de Reynolds local.

En el caso de un desarrollo de la velocidad similar a lo largo del flujo exterior, una capa lfmite turbulenta genera mas resistencia por friccion que una capa lfmite laminar, no obstante, por el contrario posee una menor tendencia al desprendimiento. La resistencia por friccion y la distribucion de presion modificada debido al desprendimiento alrededor del perfil provocan la perdida de perfil. Un desprendimiento semejante de la capa lfmite, en particular en un lado de aspiracion del perfil superior aparece esencialmente luego cuando las partfculas ya no se pueden decelerar mas sobre las vfas de flujo cerca de la pared de perfil en la capa lfmite debido a una energfa de flujo demasiado pequena. En consecuencia se desvfan transversalmente y se forma entonces una asf denominada burbuja de desprendimiento, segun esta representado esquematicamente en la fig. 1. Con numero de Reynolds decreciente, crece cada vez mas el desprendimiento en su longitud hasta que llega a la region aguas abajo del canto posterior de perfil, de modo que ya no se puede conseguir el desvfo requerido por el perfil. Ninguna partfcula del flujo alcanza jamas de nuevo la superficie del perfil en el medio lateral aguas abajo del desprendimiento cerca de la pared de perfil - el flujo ya no puede seguir al perfil y se rompe, por asf decirlo.

Para influir ahora de forma positiva en el comportamiento de ruptura del flujo a lo largo de un perfil y la perdida de perfil, en tanto que se controla el tamano de la burbuja de desprendimiento, en el estado de la tecnica se persiguen distintos enfoques de solucion para la disposicion de turbuladores fijos, que tienen el objetivo de permitir que cambie la capa lfmite laminar en una capa lfmite turbulenta aguas arriba en el perfil. En la fig. 2 adjunta estan representados dos ejemplos para turbuladores. Debido a ello existe la posibilidad de generar turbuladores mediante salientes de arista viva en el lado superior de perfil o mediante muescas de arista viva (salientes inversos) en la pared recorrida.

No obstante, en el caso de alabes directores y de rotor de una turbomaquina, en particular de una turbina de baja presion, han demostrado ser desventajosos en este sentido los turbuladores de arista viva configurados de esta manera, dado que solo con mayores altitudes de vuelo, por ejemplo la altitud de vuelo de crucero de un avion, con numeros de Reynolds de flujo allf pequenos y con solicitaciones de alabes elevadas, disminuyen de manera ventajosa la burbuja de desprendimiento mediante formacion de turbulencias a tiempo del flujo y de este modo mejoran la perdida de perfil y el rendimiento, no obstante, cerca del suelo aumentan las perdidas. Ademas, en el caso de turbuladores de arista viva es extraordinariamente cntica la fabricacion, recubrimiento y vida util. Por ello actualmente no se conoce una aplicacion practica de turbuladores en un mecanismo propulsor.

Como un estado de la tecnica relevante respecto a la presente invencion se menciona en este sentido la patente europea EP 132 638 B1 de la inventora misma. Por esta patente se conoce una rejilla de alabes atravesada axialmente de una turbina, cuyos perfiles de alabe estan configurados de modo que el flujo se acelera a lo largo de la mayor parte de la superficie de perfil en el lado de aspiracion hasta un maximo de velocidad en la zona de la superficie estrecha del canal y aguas debajo de ello se desacelara hasta la arista trasera de perfil. Cada alabe esta provisto de una arista perturbadora, que esta dispuesta aguas abajo del maximo de velocidad en el lado de aspiracion del alabe en la zona del flujo desacelerado y se extiende esencialmente sobre toda la altura de alabe (recorrido de la rafz de alabe hasta la punta del alabe).

Para reducir los efectos negativos mencionados al inicio de un turbulador de arista viva en el flujo principal (aumento de la perdida por friccion), en particular con numeros de Reynolds elevados, la patente europea EP 132 638 B1 preve entre otros que la arista perturbadora este perfilada de tipo diente de sierra en un plano tangencial a la superficie de perfil. De este modo se debe conseguir una reduccion de la altura de arista necesaria, a fin de reducir asf las perdidas por friccion en particular con numeros de Reynolds mas elevados. Pese a estos efectos positivos queda sin resolver el problema de una fabricacion diffcil y menor vida util.

Por la patente DE 681 479 C se conoce un alabe director para turbinas de vapor y de gas con arista de salida

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afilada, cuya superficie poco antes del afilado de la arista de salida es mas rugosa que la parte restante.

La patente US 3 578 264 A describe las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1 y en este caso para influir en una capa lfmite propone elementos de superficie cuyo dimensionado depende del espesor de la capa lfmite.

Por la patente GB 2 436 861 A se conoce un perfil de superficie portante con depresiones semiesfericas o en forma de gota.

En vista de este estado de la tecnica, el objetivo de la presente invencion es crear un alabe de una turbomaquina con un generador de remolinos generico (turbulador), que se pueda fabricar de forma sencilla y alcance una vida util mas larga.

Este objetivo se resuelve mediante un alabe de una turbomaquina con un generador de remolinos ondulado (sin aristas), que se extiende a lo largo del alabe segun la reivindicacion 1. Otras configuraciones ventajosas de la invencion son objeto de las reivindicaciones dependientes restantes.

La invencion se compone por tanto de una construccion de alabe de una turbomaquina, preferentemente de una disposicion de rejilla de alabes de una turbina de baja presion, en cuya superficie de perfil en el lado de aspiracion esta dispuesto aguas abajo del maximo de velocidad, eventualmente comenzando tambien en la zona del maximo de velocidad, un generador de remolinos preferentemente en forma de una propiedad de superficie geometrica parcial. El generador de remolinos se forma mas preferentemente mediante ondas de superficie que realizan una oscilacion, cuyos dorsos de onda discurren en forma de valles de onda y crestas de onda aproximadamente en la direccion de la altura del alabe.

Expresado mas concretamente, para la obtencion de la formacion de turbulencia a tiempo del flujo (capa lfmite) se prescinde de piezas de montaje de arista viva y modificaciones en el lado de aspiracion de alabe. En lugar de ello se disponen o configuran varias ondas sin arista en la superficie del lado de aspiracion. De este modo se obtiene la ventaja de que se mejora la fabricabilidad, capacidad de revestimiento y vida util del alabe respecto al estado de la tecnica conocida. El efecto del generador de remolinos ondulado sobre el comportamiento de flujo en la zona cerca de la superficie se puede comparar con los turbuladores de arista viva conocidos. No obstante, con numeros de Reynolds elevados, en particular cerca del suelo se puede observar una perdida de rendimiento menor por la friccion. Ademas, se puede realizar una reduccion acustica del ruido del mecanismo propulsor de 1-2 dB, es decir, una reduccion de amplitud de presion del 10-20 %. Segun la invencion la cresta de onda y el valle de onda discurren en la direccion de la altura del alabe con un angulo de 45° a 135° respecto a la proyeccion meridiana del flujo fuera de las capas lfmite del perfil de alabe.

Una ventaja esencial del turbulador segun la invencion es la fabricabilidad directa dentro del proceso de fabricacion de un alabe de una turbomaquina. En el caso de alabes de turbina de gas fundido, esta propiedad / estructura de superficie se puede integrar directamente en el modelo de fundicion sin gasto adicional perceptible. Pero tambien es posible una incorporacion posterior de la estructura ondulada segun la invencion. Esto se refiere no solo a la nueva fabricacion, sino en el caso de mantenimiento. De este modo tambien es posible un reequipamiento. Para la incorporacion posterior de la estructura ondulada se pueden obtener procedimientos de mecanizado de conformacion, como tambien de arranque de viruta, por ejemplo, repujado, afilado y/o rectificado y/o fresado pero tambien remocion electroqmmica.

Respecto al estado de la tecnica, como por ejemplo, segun la patente US 6,416,289 o la patente europea EP 1 081 332 A1, en las que se describe una tira con elevada rugosidad, la forma de onda lisa segun la invencion tiene varias ventajas.

Dado que la tira de rugosidad segun el estado de la tecnica es una zona con rugosidad elevada irregular, que no se origina en el proceso de fabricacion normal (por ejemplo en el caso de alabe de turbina de gas fundido), esta rugosidad se debe aplicar posteriormente. Por el contrario, los turbuladores lisos (bajo el termino “liso” se debe entender una calidad superficial que se corresponde con las zonas restantes del alabe de turbina) se incorporan directamente dentro del proceso de fabricacion normal. No se requiere un aumento de rugosidad adicional respecto a las zonas de alabe restantes para los turbuladores de onda.

La manera de funcionar de los turbuladores de onda segun la invencion tambien es distinta basicamente de la rugosidad elevada localmente. Cuando con rugosidad elevada sobresalen al menos las puntas de la capa proxima a la pared del gradiente de tension de cizallamiento constante, se generan perturbaciones en el zona de la tension de cizallamiento maxima (remolino transversal y longitudinal) en la capa lfmite que conducen directamente a estructuras de flujo tridimensionales con transicion precoz (es decir, mas aguas arriba que sin rugosidad). Al contrario de ello los turbuladores de onda segun la invencion excitan inestabilidades del flujo de capa lfmite, que conducen a remolinos longitudinales de Gortler en la parte concava de la longitud de onda, sin que se mezclen con remolinos adicionales. De este modo la influencia negativa de los turbuladores de onda con numeros de Reynolds mayores, tal y como aparecen p. ej. en mecanismos propulsores cerca del suelo, se vuelve menor que en el caso de turbuladores de remolinos del tipo constructivo convencional.

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Ademas, se ha demostrado que en una forma de realizacion preferentemente de onda larga se obtiene una excitacion dirigida de la inestabilidad de la capa lfmite. Para ello se ajusta la longitud de onda en una relacion de A/sges = 0,05 a 0,25 respecto al lado de aspiracion. La amplitud esta ajustada para ello en una relacion de a/sges = 0,0002 a 0,0040 respecto a la longitud del lado de aspiracion. El numero de ondas sinusoidales se situa preferentemente entre 1 y 4 y estan en un rango de +/- 0,25 sges en la posicion del recorrido estrecho en el lado de aspiracion del alabe. No obstante, en este caso los valores optimos dentro del rango mencionado precedente dependen de las condiciones de flujo, como numero de Reynolds, numero de Mach, solicitacion, etc. La expresion “sges” significa aqrn la longitud de arco en el lado de aspiracion, medido del punto de arista frontal mas delantero axialmente hasta el punto de arista trasera mas posterior.

Mas preferentemente es posible que en una forma de realizacion de onda corta se pueda obtener igualmente una excitacion dirigida de inestabilidades mediante frecuencias con tasas de excitacion moderadas. Para ello la longitud de onda se ajusta en una relacion de A/sges = 0,005 a 0,05 respecto al lado de aspiracion. El numero de las ondas sinusoidales se situa entonces preferentemente entre 2 y l5. Los ajustes restantes conforme a la descripcion anterior.

Ademas, es ventajoso prever en un alabe de turbina Masalida = 0,65 y Resalida = 200000) con solicitacion escalonada probablemente elevada (desvfo > 100°) y solicitacion de alabe elevada (High lift. Numero de duda > 1,0) 3 ondas sinusoidales de la longitud de onda A/sges = 0,08 con amplitud contante a/sges = 0,001, cuya ultima longitud de onda termina en el punto del desprendimiento laminar. Las longitudes de onda se extienden a este respecto el 20 % - 80 % a lo largo de la extension de envergadura.

Alternativamente a ello la longitud de onda conforme a la forma de realizacion de onda corta tambien es A/sges = 0,03 con un alabe de turbina con Resalida = 400000.

Finalmente, en el caso de un alabe de compresor (Maentrada = 0,5 y Reentrada= 300000) con burbuja de desprendimiento laminar / turbulenta en el lado de aspiracion, este puede estar configurado con tres ondas sinusoidales de la longitud de onda A/xges = 0,05 con la misma amplitud a/xges = 0,0002, en donde la ultima longitud de onda finaliza en el punto del desprendimiento laminar. La expresion “xges” significa aqrn la anchura de rejilla axial en el corte central. Las longitudes de onda se extienden igualmente el 20 % - 80 % a lo largo de la extension de envergadura.

La invencion se explica a continuacion mas en detalle mediante un ejemplo de realizacion preferido en referencia a los dibujos adjuntos.

La fig. 1 muestra un par de alabes adyacentes de una rejilla de alabes segun el estado de la tecnica sin generador de remolinos,

la fig. 2 muestra dos ejemplos para un turbulador de arista viva segun el estado de la tecnica,

la fig. 3 muestra dos alabes adyacentes de una rejilla de alabes segun un ejemplo de realizacion preferido de la invencion en corte transversal,

la fig. 4 muestra un alabe de la rejilla de alabes en la vista meridiana, y la fig. 5 muestra una onda de superficie corta y una larga.

En la fig. 3 se muestran dos alabes 1, 2 adyacentes de una turbomaquina, en cuya superficie de perfil 3 en el lado de aspiracion aguas abajo del maximo de velocidad esta dispuesto un generador de generador de remolinos 4. El generador de remolinos 4 se forma en el ejemplo de realizacion preferido por un numero de ondas de superficie sin aristas, cuyos dorsos de onda 5 en forma de valles de onda y cestas de onda discurren predominantemente en la direccion de la altura del alabe h, segun esta representado esto tambien en la fig. 4. Las ondas 4 estan dispuestas ademas a lo largo del lado de aspiracion del alabe 3, de modo que el flujo se eleva y reduce alternativamente a traves de estas ondas 4, es decir, las ondas 4 discurren predominantemente en la direccion de flujo (vease la fig. 4) y se extienden en la direccion de la altura del alabe h al menos en la zona del flujo nuclear segun la fig. 4 entre el 20 % y 80 % respecto a la altura del alabe.

Segun se puede reconocer ademas en la fig. 3, las ondas 4 tienen una forma sinusoidal, cuyas amplitudes max. en la direccion de flujo son contantes. No obstante, las amplitudes max. y posiblemente tambien las longitudes de onda maximas vanan en la direccion de la altura y/o de la anchura del alabe, preferiblemente a lo largo del lado de aspiracion con longitud de onda creciente y amplitud creciente. En lugar de una onda sinusoidal tambien puede estar prevista una forma de onda asimetrica. A este respecto, las ondas 4 estan dispuestas en una zona definida en el lado de aspiracion 3. Esta zona se situa aproximadamente en un punto estrecho del canal 6 de dos alabes 1, 2 adyacentes, es decir, en aquella zona en la que el flujo se ha acelerado hasta un maximo de velocidad y luego se produce una deceleracion. Los dorsos de onda 5 (crestas / valles) discurren en este caso en la direccion de la altura del alabe h de forma plana y se pueden extender sobre toda la altura del alabe h o tambien solo sobre una altura parcial, en cuya zona faltan las estructuras de remolinos secundarias, segun esta dibujado en la fig. 4. A este respecto pueden presentar desarrollos curvados en la direccion de la altura del alabe h hacia las zonas secundarias.

A lo largo de la extension axial del alabe (direccion de anchura del alabe), las ondas 4 recubren una zona parcial del lado de aspiracion del alabe 3, tipicamente una zona en la que la capa lfmite se puede desestabilizar hasta el punto de desprendimiento de la burbuja de desprendimiento mediante el turbulador en forma de la configuracion de onda segun la invencion, a fin de provocar un cambio laminar-turbulento a tiempo. Esta zona se situa en funcion de la 5 forma de perfil del alabe entre el 40 % y 90 % de la anchura de alabe axial.

Respecto al dimensionado de las ondas 4, es decir, su amplitud max. y frecuencia se ha comprobado que la amplitud de onda no debe sobrepasar como maximo el 25 %, de manera ventajosa aprox. el 5 % de la longitud de onda, para evitar un desprendimiento local de la capa lfmite. Las amplitudes y longitudes de onda se pueden optimizar en este caso analfticamente a traves de observaciones de inestabilidad de la capa lfmite. Los generadores 10 de remolinos ondulados se pueden aplicar tanto para alabes de estator, como tambien para alabes de rotor, en particular de una turbina de baja presion.

La fig. 5 muestra para ello una - en relacion a la amplitud a - onda mas corta con una relacion a/A de aproximadamente el 8 % y una onda mas larga con una relacion a/A de aproximadamente el 5 %.

De este modo se alcanza el turbulador segun la invencion, en tanto que la superficie de perfil misma se modifica a lo 15 largo de su lado de aspiracion de alabe 3 por secciones en una forma de onda, por ejemplo, mediante moldeado dirigido en la fabricacion del alabe o mediante trabajo posterior de arranque de viruta despues de la fundicion del alabe (p. ej. ECM, PECM, rectificado, fresado, etc.) en donde la caracterizacion principal de la forma de onda forma las aristas vivas que faltan.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Alabe de una turbomaquina con un perfil que desvfa el flujo y que presenta un lado de presion y un lado de aspiracion, en particular alabe de turbina de una turbina de gas, cuya superficie de perfil (3) en el lado de aspiracion presenta al menos una propiedad de superficie geometrica (4) que comprende una parte de la superficie de perfil (3) y que esta realizada en forma al menos de una onda de superficie, que esta superpuesta localmente al perfil de manera que su cresta de onda forma una elevacion en el perfil, su valle de onda forma una depresion en el perfil, en donde la onda de superficie se convierte en el perfil sin dobleces y sin escalones en su extremo aguas arriba y en su extremo aguas abajo y la cresta de onda y el valle de onda discurren en la direccion de la altura del alabe con un angulo de 45° a l35° respecto a la proyeccion meridiana del flujo fuera de las capas lfmite del perfil de alabe, caracterizado por que la propiedad de superficie geometrica (4) comprende varias ondas de superficie cuyas amplitudes vanan.
2. Alabe segun la reivindicacion 1, caracterizado por que, como se ve en la direccion de flujo, se suceden alternativamente valles de onda y crestas de onda o crestas de onda y valles de onda.
3. Alabe segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que las ondas tienen una forma sinusoidal o estan configuradas de forma asimetrica.
4. Alabe segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que las ondas (4) se extienden al menos en la zona del flujo nuclear del alabe entre el 20-80 % de la altura de alabe (h), en donde las ondas siguen una lmea recta y/o curvada con amplitud y/o longitud de onda constante y/o variable.
5. Alabe segun la reivindicacion 2, caracterizado por que las ondas (4) estan dispuestas en la superficie del lado de aspiracion (3) en un rango del 40-90 % de la anchura de alabe axial.
6. Alabe segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que las ondas (4) tienen una amplitud maxima que es del 5 % al 25 % de la longitud de onda.
7. Alabe segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que las amplitudes de las ondas de superficie (4) aumentan en la direccion de flujo.