ES2880526T3 - Perfil aerodinámico de compresor - Google Patents

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Giuseppe Bruni
Senthil Krishnababu
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Abstract

Un perfil aerodinámico (70) de compresor para un motor de turbina, comprendiendo el perfil aerodinámico (70) de compresor: una parte de raíz (72) separada de una parte de punta (100) por una parte de cuerpo principal (102); la parte de cuerpo principal (102) definida por: una pared (88) de superficie de succión que tiene una superficie de succión (89), una pared (90) de superficie de presión que tiene una superficie de presión (91), por lo que la pared (88) de superficie de succión y la pared (90) de superficie de presión se encuentran en un borde delantero (76) y un borde trasero (78), comprendiendo la parte de punta (100), en una vista en sección transversal: un saliente (104) proporcionado en la pared (90) de superficie de presión entre el borde delantero (76) y el borde trasero (78); una pared de punta (106) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico; una región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión que se ahúsa desde el saliente (104) en una dirección hacia la pared de punta (106), comprendiendo la pared de punta (106): un barreno (110) definido por una primera región de pared de punta (112) que se extiende desde el borde trasero (78) hasta una aleta (114) definida por una segunda región de pared de punta (116) que aumenta de anchura con respecto a la primera región de pared de punta (112) hasta un punto más ancho (A-A) de la pared de punta, y luego se reduce de anchura hacia el borde delantero (76), caracterizado por que a lo largo de la longitud de la aleta (114), la aleta (114) es más estrecha que una distancia wbA entre la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) en la región correspondiente de la aleta (114), en donde el punto más ancho (A-A) de la aleta (114) tiene un ancho w3A de al menos 0,8 wbA pero no más de 0,95 wbA, en donde la pared de punta (106) define una superficie de punta (118) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico; y en el punto más ancho (A-A) de la aleta (114): la región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión se extiende desde el saliente (104) en una dirección hacia la superficie de succión (89), y en un punto de inflexión (120), la región de transición (108) se curva para extenderse en una dirección alejándose de la superficie de succión (89) hacia la superficie de punta (118).

Description

DESCRIPCIÓN
Perfil aerodinámico de compresor
La presente invención se refiere a un perfil aerodinámico de compresor para un motor de turbina, en particular a una pala de rotor de perfil aerodinámico de compresor y/o paleta de estator de perfil aerodinámico de compresor para un motor de turbina, y/o un conjunto de rotor de compresor.
Antecedentes
Un compresor de un motor de turbina de gas comprende componentes de rotor, incluyendo palas de rotor y un tambor de rotor, y componentes de estator, incluyendo paletas de estator y una carcasa de estator. El compresor está dispuesto alrededor de un eje de rotación con varias fases alternas de palas de rotor y paletas de estator, y cada fase comprende un perfil aerodinámico.
La eficacia del compresor está influenciada por los espacios libres de funcionamiento o el hueco radial de punta entre sus componentes de rotor y estator. El espacio libre o hueco radial entre las palas de rotor y la carcasa del estator y entre las paletas de estator y el tambor del rotor se establece para que sea lo más pequeño posible para minimizar la fuga de gases de trabajo sobre la punta, pero lo suficientemente grande para evitar un roce significativo que pueda dañar los componentes. La diferencia de presión entre un lado de presión y un lado de succión del perfil aerodinámico hace que el gas de trabajo se filtre a través del hueco de punta. Este flujo de gas de trabajo o fuga sobre la punta genera pérdidas aerodinámicas debido a su interacción viscosa dentro del hueco de punta y con el flujo de gas de trabajo de la corriente principal, particularmente en la salida del hueco de punta. Esta interacción viscosa provoca la pérdida de eficacia de la fase del compresor y posteriormente reduce la eficacia del motor de turbina de gas.
Se han identificado dos componentes principales del flujo de fuga sobre la punta, que se ilustra en la figura 1, que muestra una vista frontal de una punta 1 de un perfil aerodinámico 2 in situ en un compresor, mostrando así una región de hueco de punta. Un primer componente de fuga "A" se origina cerca de un borde delantero 3 del perfil aerodinámico en la punta 1 y que forma un vórtice de fuga de punta 4, y un segundo componente 5 que se crea por el flujo de fuga que pasa sobre la punta 1 desde el lado de presión 6 hacia el lado de succión 7. Este segundo componente 5 sale del hueco de punta y se alimenta al vórtice de fuga de punta 4 creando así aún más pérdidas aerodinámicas.
El documento EP 2987956 A1 divulga un perfil aerodinámico de compresor para un motor de turbina o un compresor de proceso axial, el perfil aerodinámico de compresor comprende una pared (88) de superficie de succión que tiene una superficie de succión y una pared de superficie de presión que tiene una superficie de presión, la pared de superficie de succión y la pared de superficie de presión se encuentran en un borde delantero y un borde trasero y definen una punta que tiene una superficie de punta, el perfil aerodinámico tiene un espesor máximo T max. Una línea de comba media se define como pasando por el borde delantero y el borde trasero. El perfil aerodinámico de compresor comprende además una aleta en la punta y que se extiende desde la superficie de succión, la aleta tiene un voladizo W que tiene una extensión perpendicular desde la superficie de succión en el intervalo de 0,1Tmax a 1,5Tmax. La aleta tiene un voladizo máximo W max que ocurre dentro del 50 % de la longitud de la línea de comba media desde el borde delantero.
El documento EP 2725 194 A1 divulga una pala de turbina que tiene una parte de raíz, una plataforma y un perfil aerodinámico que está montado en la plataforma y está formado por una pared lateral de presión y una pared lateral de succión y tiene una superficie exterior. La pared lateral de presión y la pared lateral de succión se encuentran en un borde delantero y un borde trasero. La pared lateral de succión define la parte de la superficie radialmente hacia afuera del perfil aerodinámico y el voladizo en la punta del perfil aerodinámico que tiene una longitud máxima de voladizo que está entre el 5 % y el 20 % de la longitud de la cuerda axial de la pala y está ubicada entre el 15 % y el 40 % de la longitud de la superficie de succión desde el borde delantero. Se incluye una reivindicación independiente para una fase de rotor de turbina.
El documento EP 3 138997 A1 divulga una pala de rotor para una turbina de un sistema de turbina de gas. La pala de rotor incluye un perfil aerodinámico que tiene una pared lateral de presión y una pared lateral de succión que define una periferia exterior, en donde la pared lateral de presión y la pared lateral de succión del perfil aerodinámico se conectan a lo largo de un borde delantero y un borde trasero; una punta que define un extremo radial exterior del perfil aerodinámico, en donde la punta incluía una tapa en la que un carril saliente exterior define una cavidad de punta; y un hueco de carril formado a través de una sección hacia atrás del carril. El perfil aerodinámico incluye además una aleta colocada cerca de su punta.
Por lo tanto, es muy deseable un diseño de perfil aerodinámico que pueda reducir uno o ambos componentes de fuga de punta.
Sumario
De acuerdo con la presente divulgación, se proporciona un aparato como se indica en las reivindicaciones adjuntas. Otras características de la invención se pondrán de manifiesto a partir de las reivindicaciones dependientes y de la siguiente descripción.
Por consiguiente, puede proporcionarse un perfil aerodinámico (70) de compresor para un motor de turbina, comprendiendo el perfil aerodinámico (70) de compresor: una parte de raíz (72) separada de una parte de punta (100) por una parte de cuerpo principal (102). La parte de cuerpo principal (102) puede estar definida por: una pared (88) de superficie de succión que tiene una superficie de succión (89), una pared (90) de superficie de presión que tiene una superficie de presión (91), por lo que la pared (88) de superficie de succión y la pared (90) de superficie de presión se encuentran en un borde delantero (76) y un borde trasero (78). La parte de punta (100) puede comprender, en una vista en sección transversal: un saliente (104) dispuesto en la pared (90) de superficie de presión entre el borde delantero (76) y el borde trasero (78); una pared de punta (106) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico; una región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión que se ahúsa desde el saliente (104) en una dirección hacia la pared de punta (106). La pared de punta (106) puede comprender: un barreno (110) definido por una primera región de pared de punta (112) que se extiende desde el borde trasero (78) hasta una aleta (114) definida por una segunda región de pared de punta (116) que aumenta la anchura con respecto a la primera región de pared de punta (112) hasta un punto más ancho (A-A) de la pared de punta, y luego se reduce la anchura hacia el borde delantero (76). A lo largo de la longitud de la aleta (114), la aleta (114) es más estrecha que una distancia wbA entre la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) en la región correspondiente de la aleta (114). El punto más ancho (A-A) de la aleta (114) tiene un ancho w3A de al menos 0,8 wbA pero no más de 0,95 wbA. La pared de punta (106) define una superficie de punta (118) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico. En el punto más ancho (A-A) de la aleta (114): la región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión se extiende desde el saliente (104) en una dirección hacia la superficie de succión (89), y en un punto de inflexión (120), la región de transición (108) se curva para extenderse en una dirección alejándose de la superficie de succión (89) hacia la superficie de punta (118).
La primera región de pared de punta (112) que define el barreno (110) puede tener una anchura w1B sustancialmente constante a lo largo de su extensión. La primera región de pared de punta (112) que define el barreno (110) puede tener una anchura w1 B sustancialmente constante a lo largo de al menos parte de su extensión.
La distancia entre la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) del cuerpo principal (102) a lo largo de la extensión del barreno es wbB, en donde la anchura del barreno w1B puede tener un valor de al menos 0,1 wbB pero no más de 0,2 wbB.
Una línea de cuerda desde el borde delantero (76) hasta el borde trasero (78) tiene una longitud L; y la aleta (114) se extiende desde el borde delantero (76) hacia el borde trasero (78) en una distancia L1, donde L1 puede tener un valor de al menos 0,25 L pero no más de 0,65 L.
El punto más ancho (A-A) de la aleta (114) está a una distancia de L2 del borde delantero (76), donde L2 puede tener un valor de al menos 0,4 L1 pero no más de 0,6 L1.
A lo largo de la longitud de la aleta (114), la aleta (114) puede estar empotrada debajo de la superficie de presión (91).
La parte de punta (100) puede comprender además una línea de inflexión (122) definida por un cambio de curvatura en la superficie de presión (91); estando previsto el punto de inflexión (120) en la línea de inflexión (122). La línea de inflexión (122) puede extenderse entre el borde delantero (76) y el borde trasero (78).
La línea de inflexión (122) se proporciona a una distancia h2A, h2B desde la superficie de punta (118); y el saliente (104) se proporciona a una distancia h1A, h1B desde la superficie de punta (118); donde la distancia h1A, h1B puede tener un valor de al menos 1,5 h2A pero no más de 2,7 h2A.
La línea de inflexión (122) en el punto más ancho de la aleta (114) se proporciona a una distancia w2A de la superficie de succión (89); en donde w2A puede tener un valor de al menos 0,8 w3A pero no más de 0,95 w3A.
La superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) están separadas por una distancia wbA, wbB. La distancia wbA, wbB puede disminuir de valor entre el punto más ancho (A-A) del cuerpo principal y el borde delantero (76). La distancia wbA, wbB puede disminuir de valor entre el punto más ancho (A-A) del cuerpo principal y el borde trasero (78).
También se puede proporcionar un conjunto de rotor del compresor para un motor de turbina, comprendiendo el conjunto de rotor del compresor una carcasa y un perfil aerodinámico de compresor de acuerdo con la presente divulgación, en donde la carcasa y el perfil aerodinámico (70) de compresor definen un hueco de punta hg definido entre la superficie de punta (118) y la carcasa (50).
La distancia h2A, h2B desde la línea de inflexión (122) hasta la superficie de punta (118) puede tener un valor de al menos 1,5 hg pero no más de 3,5 hg.
Por tanto, se proporciona un perfil aerodinámico para un compresor que se reduce en espesor hacia su punta para formar un barreno en el lado de succión (es decir, convexo) del perfil aerodinámico. Además, se proporciona una extensión tipo aleta en el lado de presión (es decir, cóncavo) cerca del borde delantero. Juntas, estas características reducen el flujo másico de fuga en la punta, disminuyendo así la fuerza de la interacción entre el flujo de fuga y el flujo de la corriente principal, lo que a su vez reduce la pérdida de eficacia en relación con los ejemplos de la técnica relacionada.
Por tanto, el perfil aerodinámico de compresor de la presente divulgación proporciona un medio para controlar las pérdidas reduciendo el flujo de fuga en la punta.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán los ejemplos de la presente divulgación en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra un ejemplo de punta de perfil aerodinámico, tal como se ha comentado en la sección de antecedentes;
la figura 2 muestra parte de un motor de turbina en una vista en sección y en la que se puede proporcionar un perfil aerodinámico de la presente divulgación;
la figura 3 muestra una vista ampliada de parte de un compresor del motor de turbina de la figura 2;
la figura 4 muestra parte de un cuerpo principal y una región de punta de un perfil aerodinámico de acuerdo con la presente divulgación;
las figuras 5a, 5b muestran vistas en sección del perfil aerodinámico como se indica en A-A y B-B en la figura 4;
la figura 6 muestra una vista frontal de una parte de la región de punta del perfil aerodinámico mostrado en la figura 4; y
la figura 7 es una tabla de dimensiones relativas de las características mostradas en las figuras 5a, 5b, 6.
Descripción detallada
La figura 2 muestra un ejemplo de un motor de turbina de gas 10 en una vista en sección que puede comprender un conjunto de rotor de compresor y perfil aerodinámico de la presente divulgación.
El motor de turbina de gas 10 comprende, en serie de flujo, una entrada (12), una sección de compresor 14, una sección de quemador 16 y una sección de turbina 18 que están generalmente dispuestas en serie de flujo y generalmente alrededor y en la dirección de un eje longitudinal o de rotación 20. El motor de turbina de gas 10 comprende, además, un árbol 22 que puede rotar alrededor del eje de rotación 20 y que se extiende longitudinalmente a través del motor de turbina de gas 10. El árbol 22 conecta de manera motriz la sección de turbina 18 a la sección de compresor 14.
Durante el funcionamiento del motor de turbina de gas 10, el aire 24, que se toma a través de la entrada de aire 12, es comprimido por la sección de compresor 14 y suministrado a la sección de combustión o sección de quemador 16. La sección de quemador 16 comprende un plénum de quemador 26, una o más cámaras de combustión 28 y al menos un quemador 30 fijado a cada cámara de combustión 28.
Las cámaras de combustión 28 y los quemadores 30 están ubicados dentro del plénum de quemador 26. El aire comprimido que pasa a través del compresor 14 entra en un difusor 32 y se descarga desde el difusor 32 hacia el interior del plénum de quemador 26 desde donde una porción del aire entra en el quemador 30 y se mezcla con un combustible gaseoso o líquido. A continuación, se quema la mezcla de aire/combustible y el gas de combustión 34 resultante o gas de trabajo procedente de la combustión es canalizado a través de la cámara de combustión 28 a la sección de turbina 18.
La sección de turbina 18 comprende varios discos portadores de palas 36 sujetos al árbol 22. De manera adicional, unas paletas de guiado 40, que están fijadas a un estator 42 del motor de turbina de gas 10, están dispuestas entre las fases de matrices anulares de palas de turbina 38. Entre la salida de la cámara de combustión 28 y las palas de turbina 38 de avance, se proporcionan paletas de guiado 44 de entrada que hacen girar el flujo de gas de trabajo hacia las palas de turbina 38.
El gas de combustión de la cámara de combustión 28 entra en la sección de turbina 18 y acciona las palas de turbina 38, que, a su vez, hacen rotar el árbol 22. Las paletas de guiado 40, 44 sirven para optimizar el ángulo del gas combustión o de trabajo sobre las palas de turbina 38.
Los perfiles aerodinámicos de compresor (es decir, palas de rotor del compresor y paletas de estator del compresor) tienen una relación de aspecto más pequeña que los perfiles aerodinámicos de turbina (es decir, palas de rotor de turbina y paletas de estator de turbina), donde la relación de aspecto se define como la relación entre la envergadura (es decir, la anchura) del perfil aerodinámico y la cuerda media (es decir, la distancia en línea recta desde el borde delantero hasta el borde trasero) del perfil aerodinámico. Los perfiles aerodinámicos de turbina tienen una relación de aspecto relativamente grande porque son necesariamente más anchos (es decir, más amplios) para acomodar pasos y cavidades de enfriamiento, mientras que los perfiles aerodinámicos de compresor, que no requieren enfriamiento, son relativamente estrechos.
Los perfiles aerodinámicos de compresor también se diferencian de los perfiles aerodinámicos de turbina por su función. Por ejemplo, las palas de rotor del compresor están configuradas para trabajar en el aire que pasa sobre ellas, mientras que se realiza un trabajo en las palas de rotor de turbina por los gases de escape que pasan sobre ellas. Por lo tanto, los perfiles aerodinámicos de compresor se diferencian de los perfiles aerodinámicos de turbina por su geometría, función y el fluido de trabajo al que están expuestos. En consecuencia, las características y consideraciones aerodinámicas y/o de dinámica de fluidos de los perfiles aerodinámicos de compresor y los perfiles aerodinámicos de turbina tienden a ser diferentes, ya que deben configurarse para sus diferentes aplicaciones y ubicaciones en el dispositivo en el que se proporcionan.
La sección de turbina 18 acciona la sección de compresor 14. La sección de compresor 14 comprende una serie axial de fases de paleta 46 y fases de pala de rotor 48. Las fases de pala de rotor 48 comprenden un disco de rotor que soporta una matriz anular de palas. La sección de compresor 14 también comprende una carcasa 50 que rodea las fases de rotor y soporta las fases de paleta 48. Las fases de paletas de guiado incluyen una matriz anular de paletas que se extienden radialmente y que están montadas en la carcasa 50. Las paletas se proporcionan para presentar el flujo de gas en un ángulo óptimo para las palas en un punto operativo del motor dado. Algunas de las fases de paletas de guiado tienen paletas variables, donde el ángulo de las paletas, alrededor de su propio eje longitudinal, se puede ajustar para el ángulo de acuerdo con las características del flujo de aire que pueden ocurrir en diferentes condiciones de operación del motor.
La carcasa 50 define una superficie 52 radialmente exterior del paso 56 del compresor 14. Una superficie 54 radialmente interior del paso 56 está definida al menos en parte por un tambor de rotor 53 del rotor que está definido en parte por la matriz anular de palas 48 y se describirá con más detalle a continuación.
El perfil aerodinámico de la presente divulgación se describe con referencia al motor de turbina ilustrativo anterior que tiene un solo árbol o carrete que conecta un solo compresor de varias fases y una sola turbina de una o más fases. Sin embargo, debería apreciarse que el perfil aerodinámico de la presente divulgación es igualmente aplicable a motores de dos o tres árboles y que se puede utilizar para aplicaciones industriales, aeronáuticas o marinas. El término rotor o conjunto de rotor pretende incluir componentes rotativos (es decir, giratorios), incluyendo palas de rotor y un tambor de rotor. El término estator o conjunto de estator está destinado a incluir componentes estacionarios o no rotativos, incluyendo paletas de estator y una carcasa de estator. Por el contrario, el término rotor está destinado a relacionar un componente rotativo a un componente estacionario, como una pala rotativa y una carcasa estacionaria o una carcasa rotativa y una pala o paleta estacionaria. El componente rotativo puede estar radialmente hacia adentro o radialmente hacia afuera del componente estacionario. El término perfil aerodinámico está destinado a significar la parte del perfil aerodinámico de una pala rotativa o paleta estacionaria.
Los términos axial, radial y circunferencial se hacen con referencia al eje de rotación 20 del motor.
Haciendo referencia a la figura 3, el compresor 14 del motor de turbina 10 incluye filas alternas de paletas de guiado de estator 46 y palas de rotor rotativas 48 que se extienden, cada una, en una dirección generalmente radial dentro o a través del paso 56.
Las fases 49 de pala de rotor comprenden discos de rotor 68 que soportan una matriz anular de palas. Las palas de rotor 48 están montadas entre discos adyacentes 68, pero cada matriz anular de palas de rotor 48 podría montarse de otro modo en un único disco 68. En cada caso, las palas 48 comprenden un pie de montaje o una parte de raíz 72, una plataforma 74 montada en la parte de pie 72 y un perfil aerodinámico 70 que tiene un borde delantero 76, un borde trasero 78 y una punta de pala 80. El perfil aerodinámico 70 está montado en la plataforma 74 y se extiende radialmente hacia fuera desde la misma hacia la superficie 52 de la carcasa 50 para definir un hueco de punta de pala, hg (que también puede denominarse espacio libre de pala 82).
La superficie 54 radialmente interior del paso 56 está definida al menos en parte por las plataformas 74 de las palas 48 y los discos 68 de compresor. En la disposición alternativa mencionada anteriormente, donde las palas de compresor 48 están montadas en un solo disco, el espacio axial entre los discos adyacentes puede estar abarcado por un anillo 84, que puede estar anular o circunferencialmente segmentado. Los anillos 84 están sujetos entre filas de palas 48 axialmente adyacentes y están enfrentados a la punta 80 de las paletas de guiado 46. Además, como una disposición alternativa adicional, se puede unir un segmento o anillo separado fuera del disco de compresor que se muestra aquí acoplándose a una superficie radialmente hacia adentro de las plataformas.
La figura 3 muestra dos tipos diferentes de paletas de guiado, paletas de guiado de geometría variable 46V y paletas de guiado de geometría fija 46F. Las paletas de guiado de geometría variable 46V se montan en la carcasa 50 o en el estator mediante montajes rotativos 60 convencionales. Las paletas de guiado comprenden un perfil aerodinámico 62, un borde delantero 64, un borde trasero 66 y una punta 80. El montaje rotativo 60 es bien conocido en la técnica al igual que el funcionamiento de las paletas variables del estator y, por lo tanto, no se requiere una descripción adicional. Las paletas de guiado 46 se extienden radialmente hacia dentro desde la carcasa 50 hacia la superficie 54 radialmente interior del paso 56 para definir un hueco de punta de paleta o espacio libre de paleta 83 entre ellos.
De manera colectiva, el hueco de punta de pala o el espacio libre de pala 82 y el hueco de punta de paleta o el espacio libre de paleta 83 se denominan en el presente documento "hueco de punta hg". El término "hueco de punta" se utiliza en el presente documento para referirse a una distancia, generalmente una distancia radial, entre la superficie de la punta de la parte del perfil aerodinámico y la superficie del tambor de rotor o la superficie de la carcasa del estator.
Aunque el perfil aerodinámico de la presente divulgación se describe con referencia a la pala del compresor y su punta, el perfil aerodinámico también puede proporcionarse como una paleta de estator del compresor, por ejemplo, similar a las paletas 46V y 46F.
La presente divulgación puede referirse a un perfil aerodinámico de compresor sin protección y, en particular, puede referirse a una configuración de una punta del perfil aerodinámico de compresor para minimizar las pérdidas aerodinámicas.
El perfil aerodinámico 70 de compresor comprende una pared 88 de superficie de succión y una pared 90 de superficie de presión que se encuentran en el borde delantero 76 y el borde trasero 78. La pared 88 de superficie de succión tiene una superficie de succión 89 y la pared 90 de superficie de presión tiene una superficie de presión 91.
Como se muestra en la figura 3, el perfil aerodinámico 70 de compresor comprende una parte de raíz 72 separada de una parte de punta 100 por una parte de cuerpo principal 102.
La figura 4 muestra una vista ampliada de parte de un perfil aerodinámico 70 de compresor de acuerdo con la presente divulgación. Las figuras 5a, 5b muestran vistas en sección del perfil aerodinámico en los puntos A-A y B-B como se indica en la figura 4. La figura 6 muestra una vista frontal de una parte de la región de punta del perfil aerodinámico 70, y la figura 7 resume la relación entre diversas dimensiones como se indica en las figuras 5a, 5b, 6.
La parte de cuerpo principal 102 está definida por la pared 88 de superficie de succión convexa que tiene la superficie de succión 89 y la pared 90 de superficie de presión cóncava que tiene la superficie de presión 91. La pared 88 de superficie de succión y la pared 90 de superficie de presión se encuentran en el borde delantero 76 y el borde trasero 78.
Tal como se muestra en las figuras 5a, 5b, la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 están separadas por una distancia wb, identificada como wbA, wbB en las secciones A-A y B-B respectivamente. La distancia entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 (es decir, el valor wb, wbA, wbB) disminuye de valor entre el punto más ancho del cuerpo principal y el borde delantero 76. La distancia entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 (es decir, el valor wb, wbA, wbB) también disminuye de valor entre el punto más ancho del cuerpo principal y el borde trasero 78.
La pared 88 de superficie de succión y la pared 90 de superficie de presión se extienden cada una desde la parte de raíz 72 hasta la parte de punta 100.
La parte de punta 100 comprende un saliente 104 dispuesto en la pared 90 de superficie de presión entre el borde delantero 76 y el borde trasero 78. El saliente 104 se extiende al menos en parte del camino entre el borde delantero 76 y el borde trasero 78. El saliente 104 puede extenderse sustancialmente por todo el camino entre el borde delantero 76 y el borde trasero 78.
La parte de punta 100 comprende además una pared de punta 106 que se extiende desde el borde delantero 76 del perfil aerodinámico hasta el borde trasero 78 del perfil aerodinámico. La parte de punta 100 también comprende una región de transición 108 de la pared 90 de superficie de presión que se ahúsa desde el saliente 104 en una dirección hacia la pared de punta 106 de manera que el perfil aerodinámico 70 de compresor es más estrecho en la pared de punta 106 que entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 a lo largo de la longitud del saliente 104.
El saliente 104 y la región de transición 108 se definen cada uno en la vista en sección transversal de las figuras 5a, 5b y cada uno se extiende a lo largo de al menos una parte de la parte de punta 100 entre el borde delantero y el borde trasero.
En la pared 88 de superficie de succión, la superficie de succión 89 de la parte de punta 100 se extiende sin interrupción hasta la pared de punta 106. Es decir, el perfil de la pared 89 de superficie de succión continúa dentro y a través de la parte de punta 100 hasta la pared de punta 106. Dicho de otra forma, en la sección de punta 100, la superficie de succión 89 se extiende en la misma dirección (es decir, con la misma curvatura) hacia la pared de punta 106 al igual que lo hace en la parte de cuerpo principal 102. Es decir, en la sección de punta 100, la superficie de succión 89 se extiende desde la parte de cuerpo principal 102 sin transición y/o cambio de dirección hacia la pared de punta 106.
La pared de punta 106 comprende un barreno 110 definido por una primera región de pared de punta 112 que se extiende desde el borde trasero 78 hasta una aleta 114 definida por una segunda región de pared de punta 116 que aumenta en anchura con respecto a la primera región de pared de punta 112 hasta un punto más ancho de la pared de punta (por ejemplo en A-A), y luego se reduce en anchura hacia el borde delantero 76.
En un ejemplo, la primera región de pared de punta 112 que define el barreno 110 tiene una anchura w1B sustancialmente constante a lo largo de su extensión.
En un ejemplo adicional, la primera región de pared de punta 112 que define el barreno 110 tiene una anchura w1B que varía a lo largo de su extensión, ahusándose hacia el borde trasero 78.
En otro ejemplo, la anchura del barreno w1B puede tener un valor de al menos aproximadamente 0,1, pero no más de 0,2, de la distancia wbB entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 del cuerpo principal 102 a lo largo de la extensión del barreno 110. El valor wbB varía a lo largo de la longitud de la parte de punta 110 y, por tanto, el valor de w1 B puede variar a lo largo de la longitud de la parte de punta 110.
Dicho de otra forma, donde la distancia entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 del cuerpo principal 102 a lo largo de la extensión del barreno es wbB, la anchura del barreno w1B puede tener un valor de al menos aproximadamente 0,1 wbB pero no más de aproximadamente 0,2 wbB.
Como se indica en las figuras 4, 6, la aleta 114 puede extenderse desde el borde delantero 76 hacia el borde trasero 78 en una distancia de cuerda L1, donde L1 puede tener un valor de al menos aproximadamente 0,25, pero no más de 0,65, de la longitud de la cuerda L (es decir, la línea de cuerda) desde el borde delantero 76 hasta el borde trasero 78.
Para evitar dudas, el término "cuerda" se refiere a una línea recta imaginaria que une el borde delantero 76 y el borde trasero 78 del perfil aerodinámico 70. Por tanto, la longitud de la cuerda L es la distancia entre el borde trasero 78 y el punto en el borde delantero 76 donde la cuerda se cruza con el borde delantero.
Por lo tanto, la distancia de cuerda L1 anterior (y L2 a continuación) se refiere a una subsección de la línea de cuerda L.
Dicho de otra forma, donde una línea de cuerda desde el borde delantero 76 hasta el borde trasero 78 tiene una longitud L, la aleta 114 se extiende desde el borde delantero 76 hacia el borde trasero 78 en una distancia L1, donde L1 puede tener un valor de al menos aproximadamente 0,25 L pero no más de aproximadamente 0,65 L.
El punto más ancho (por ejemplo en la sección A-A) de la aleta 114 puede estar a una distancia L2 de al menos aproximadamente 0,4, pero no más de 0,6, de L1 desde el borde delantero 76.
Dicho de otra forma, el punto más ancho (por ejemplo en la sección A-A) de la aleta 114 puede estar a una distancia de cuerda de L2 desde el borde delantero 76, donde L2 tiene un valor de al menos aproximadamente 0,4 L1 pero no más de aproximadamente 0,6 L1.
Tal como se muestra en la figura 5a, a lo largo de la longitud de la aleta 114, la aleta 114 es más estrecha que una distancia wbA entre la superficie de presión 91 y la superficie de succión 89 en la región correspondiente de la aleta 114. Es decir, a lo largo de la longitud de la aleta 114, la aleta está empotrada debajo de la superficie de presión 91. Dicho de otra forma, a lo largo de la longitud de la aleta 114, la aleta no se extiende más allá del límite de la superficie de presión 91.
El punto más ancho (por ejemplo en la sección A-A) de la aleta 114 puede tener una anchura w3A de al menos aproximadamente 0,8 wbA pero no más de aproximadamente 0,95 wbA.
La pared de punta 106 define una superficie de punta 118 que se extiende desde el borde delantero 76 del perfil aerodinámico hasta el borde trasero 78 del perfil aerodinámico. En el punto más ancho de la aleta 114, la región de transición 108 de la pared 90 de superficie de presión se extiende desde el saliente 104 en una dirección hacia la superficie de succión 89. Tal como se muestra en las figuras 5a, 5b, en un punto de inflexión 120, la región de transición 108 se curva entonces para extenderse en una dirección alejándose de la superficie de succión 89 hacia la superficie de punta 118. Por tanto, la aleta 114 sobresale de la región de transición 108. Dicho de otra forma, en la región de la aleta 114, la región de transición 108 forma un canal. Es decir, en la región de la aleta 114, la región de transición 108 define una característica de reentrada que define el voladizo de la aleta 114.
La parte de punta 100 comprende además una línea de inflexión 122 definida por un cambio de curvatura en la superficie de presión 91 y junto con el punto de inflexión 120 con respecto a la vista en sección transversal de las figuras 5a, 5b. La línea de inflexión 122 se extiende entre el borde delantero 76 y el borde trasero 78. Los puntos de inflexión 120 se proporcionan en la línea de inflexión 122. Dicho de otra forma, la línea de inflexión 122 está definida por una serie de puntos de inflexión de curvatura 120 que se extiende desde el borde delantero 76 hasta el borde trasero 78 en la pared 90 de superficie de presión en la región de punta 100.
Tal como se muestra en las figuras 5a, 5b, la línea de inflexión 122 se puede proporcionar a una distancia h2A, h2B desde la superficie de punta, y el saliente 104 puede proporcionarse a una distancia h1A, h1B de al menos aproximadamente 1,5 veces, pero no más de 2,7 veces, la distancia h2A de la línea de inflexión 122 desde la superficie de punta 118.
Dicho de otra forma, tal como se muestra en las figuras 5a, 5b, la línea de inflexión 122 se puede proporcionar a una distancia h2A, h2B desde la superficie de punta, y el saliente 104 puede proporcionarse a una distancia h1A, h1B desde la superficie de punta 118, donde h1A, h1B puede tener un valor de al menos aproximadamente 1,5 h2A pero no más de aproximadamente 2,7 h2A.
La línea de inflexión 122 en el punto más ancho de la aleta 114 puede tener una distancia w2A de al menos aproximadamente 0,8, pero no más de 0,95, de w3A desde la superficie de succión 89.
Dicho de otra forma, la línea de inflexión 122 en el punto más ancho de la aleta 114 se puede proporcionar a una distancia w2A de la superficie de succión 89, en donde w2A puede tener un valor de al menos aproximadamente 0,8 w3A pero no más de aproximadamente 0,95 w3A.
Con referencia a un conjunto de rotor de compresor para un motor de turbina que comprende un perfil aerodinámico de compresor de acuerdo con la presente divulgación, y como se describe anteriormente y se muestra en las figuras 5a, 5b, el conjunto de rotor del compresor comprende una carcasa 50 y un perfil aerodinámico 70 de compresor en donde la carcasa 50 y el perfil aerodinámico 70 de compresor definen un hueco de punta, hg, definido entre la superficie de punta y la carcasa.
En tal ejemplo, la distancia h2A, h2B desde la línea de inflexión 122 hasta la superficie de punta tiene un valor de al menos aproximadamente 1,5, pero no más de aproximadamente 3,5, del hueco de punta hg. Dicho de otra manera, la distancia h2A, h2B desde la línea de inflexión 122 hasta la superficie de punta puede tener un valor de al menos aproximadamente 1,5 hg pero no más de aproximadamente 3,5 hg. Es decir, la distancia h2A, h2B desde la línea de inflexión 122 hasta la superficie de punta puede tener un valor de al menos aproximadamente 1,5 pero no más de aproximadamente 3,5 de un hueco de espacio libre de punta hg predeterminado (es decir, deseado).
Durante el funcionamiento en un compresor, la geometría del perfil aerodinámico de compresor de la presente divulgación difiere en dos maneras de las disposiciones de la técnica relacionada, por ejemplo como se muestra en la figura 1.
Las inflexiones 120 (es decir, la línea de inflexión 122) en la región de transición 108 que forma la aleta sobresaliente 114 inhiben la fuga de flujo primario en virtud de la intrusión de la aleta 114 en el flujo de aire dirigido radialmente (o con un componente radial) a lo largo de la superficie de presión 91 hacia la región de punta 100 y, por lo tanto, el vórtice de flujo de punta formado es de menor intensidad que los de la técnica relacionada.
El barreno 110, siendo más estrecho que la anchura total del cuerpo principal 102, da como resultado que la diferencia de presión a través de la superficie de punta 118 sea menor que si la superficie de punta 118 tuviera la misma sección transversal que el cuerpo principal 102. Por tanto, el flujo secundario a través de la superficie de punta 118 será menor que en los ejemplos de la técnica relacionada y, en consecuencia, el vórtice de flujo primario formado es de menor intensidad ya que hay menos flujo secundario alimentándolo que en los ejemplos de la técnica relacionada.
Adicionalmente, dado que la aleta 114 del perfil aerodinámico 70 está dentro del límite de las paredes del cuerpo principal 102 (es decir, como se muestra en la figura 5a, está empotrada debajo de la superficie de las paredes 88, 90 del cuerpo principal, y no se extiende más allá de las paredes 88, 90 del cuerpo principal), la configuración es friccionalmente menos resistente al movimiento que un ejemplo de la técnica relacionada en el que la aleta 114 se extiende más allá del límite de las paredes del cuerpo principal 102. Es decir, dado que la aleta 114 de la presente divulgación tiene un área superficial relativamente pequeña, las fuerzas de fricción y aerodinámicas que genera con respecto a la carcasa 50 serán menores que en los ejemplos de la técnica relacionada.
Por tanto, se reduce la cantidad de flujo de fuga sobre la punta que fluye sobre la superficie de punta 118, al igual que la resistencia potencial a la fricción. La reducción en la cantidad de flujo de fuga sobre la punta es beneficiosa porque entonces hay menos interacción con (p. ej., alimentación de) el vórtice de fuga sobre la punta.
Por lo tanto, se proporciona una pala de rotor de perfil aerodinámico y/o una paleta de estator para un compresor para un motor de turbina configurado para reducir el flujo de fuga de punta y, por lo tanto, reducir la fuerza de la interacción entre el flujo de fuga y el flujo de la corriente principal, lo que a su vez reduce la pérdida general de eficacia.
Como se ha descrito, el perfil aerodinámico se reduce en espesor hacia su punta para formar un barreno en el lado de succión (convexo) del perfil aerodinámico, lo que reduce la diferencia de presión por la punta y, por lo tanto, reduce el flujo de fuga secundario. La aleta se proporciona en el lado de presión cerca del borde delantero que actúa para disminuir el flujo de fuga primario. Juntas, estas características reducen el flujo másico de fuga de punta, disminuyendo así la fuerza de la interacción entre el flujo de fuga y el flujo de la corriente principal, lo que a su vez reduce la pérdida de eficacia.
Por tanto, el perfil aerodinámico del compresor de la presente divulgación da como resultado un compresor de mayor eficacia en comparación con las disposiciones conocidas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un perfil aerodinámico (70) de compresor para un motor de turbina, comprendiendo el perfil aerodinámico (70) de compresor:
una parte de raíz (72) separada de una parte de punta (100) por una parte de cuerpo principal (102);
la parte de cuerpo principal (102) definida por:
una pared (88) de superficie de succión que tiene una superficie de succión (89),
una pared (90) de superficie de presión que tiene una superficie de presión (91), por lo que
la pared (88) de superficie de succión y la pared (90) de superficie de presión se encuentran en un borde delantero (76) y un borde trasero (78),
comprendiendo la parte de punta (100), en una vista en sección transversal:
un saliente (104) proporcionado en la pared (90) de superficie de presión entre el borde delantero (76) y el borde trasero (78);
una pared de punta (106) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico;
una región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión que se ahúsa desde el saliente (104) en una dirección hacia la pared de punta (106),
comprendiendo la pared de punta (106):
un barreno (110) definido por una primera región de pared de punta (112) que se extiende desde el borde trasero (78) hasta
una aleta (114) definida por una segunda región de pared de punta (116) que aumenta de anchura con respecto a la primera región de pared de punta (112) hasta un punto más ancho (A-A) de la pared de punta, y luego se reduce de anchura hacia el borde delantero (76),
caracterizado por que a lo largo de la longitud de la aleta (114), la aleta (114) es más estrecha que una distancia wbA entre la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) en la región correspondiente de la aleta (114), en donde el punto más ancho (A-A) de la aleta (114) tiene un ancho w3A de al menos 0,8 wbA pero no más de 0,95 wbA,
en donde la pared de punta (106) define una superficie de punta (118) que se extiende desde el borde delantero (76) del perfil aerodinámico hasta el borde trasero (78) del perfil aerodinámico; y en el punto más ancho (A-A) de la aleta (114):
la región de transición (108) de la pared (90) de superficie de presión se extiende desde el saliente (104) en una dirección hacia la superficie de succión (89), y
en un punto de inflexión (120), la región de transición (108) se curva para extenderse en una dirección alejándose de la superficie de succión (89) hacia la superficie de punta (118).
2. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde
la primera región de pared de punta (112) que define el barreno (110) tiene una anchura w1B sustancialmente constante a lo largo de su extensión.
3. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde
la distancia entre la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) del cuerpo principal (102) a lo largo de la extensión del barreno es wbB,
la anchura del barreno w1 B tiene un valor de al menos 0,1 wbB pero no más de 0,2 wbB.
4. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde
una línea de cuerda desde el borde delantero (76) hasta el borde trasero (78) tiene una longitud L; y la aleta (114) se extiende desde el borde delantero (76) hacia el borde trasero (78) en una distancia L1, donde L1 tiene un valor de al menos 0,25 L pero no más de 0,65 L.
5. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con la reivindicación 4, en donde
el punto más ancho (A-A) de la aleta (114) está a una distancia de L2 del borde delantero (76),
donde L2 tiene un valor de al menos 0,4 L1 pero no más de 0,6 L1.
6. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde
a lo largo de la longitud de la aleta (114), la aleta (114) está empotrada debajo de la superficie de presión (91).
7. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la parte de punta (100) comprende además una línea de inflexión (122) definida por un cambio de curvatura en la superficie de presión (91);
estando previsto el punto de inflexión (120) en la línea de inflexión (122); y
extendiéndose la línea de inflexión (122) entre el borde delantero (76) y el borde trasero (78).
8. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con la reivindicación 7, en donde
la línea de inflexión (122) se proporciona a una distancia h2A, h2B desde la superficie de punta (118); y el saliente (104) se proporciona a una distancia h1A, h1B desde la superficie de punta (118);
donde la distancia h1A, h1B tiene un valor de al menos 1,5 h2A pero no más de 2,7 h2A.
9. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en donde
la línea de inflexión (122) en el punto más ancho de la aleta (114) se proporciona a una distancia w2A de la superficie de succión (89);
en donde w2A tiene un valor de al menos 0,8 w3A pero no más de 0,95 w3A.
10. Un perfil aerodinámico (70) de compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde
la superficie de presión (91) y la superficie de succión (89) están separadas por una distancia wbA, wbB; y en donde la distancia wbA, wbB:
disminuye el valor entre el punto más ancho (A-A) del cuerpo principal y el borde delantero (76); y disminuye el valor entre el punto más ancho (A-A) del cuerpo principal y el borde trasero (78).
11. Un conjunto de rotor de compresor para un motor de turbina, el conjunto de rotor de compresor comprende una carcasa y un perfil aerodinámico de compresor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la carcasa y el perfil aerodinámico (70) de compresor definen un hueco de punta hg definido entre la superficie de punta (118) y la carcasa (50).
12. Un conjunto de rotor de compresor de acuerdo con la reivindicación 11 cuando depende de la reivindicación 8, en donde
la distancia h2A, h2B desde la línea de inflexión (122) hasta la superficie de punta (118) tiene un valor de al menos 1,5 hg pero no más de 3,5 hg.
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