ES2964365T3 - Turbomáquina con ensanchamiento del espacio anular y álabe - Google Patents
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Abstract
Se divulga una turbomáquina con un estator, con un rotor que puede girar alrededor de un eje de rotación, y con un espacio anular para conducir una corriente primaria, que tiene una pared lateral del lado del estator y una pared lateral del lado del rotor y en la que está dispuesta al menos una rejilla de álabes con varias palas, desviándose de un contorno aerodinámico ideal del espacio anular, delante de las palas comienza una expansión radial del espacio anular, que se extiende aguas abajo hasta una zona posterior de la rejilla de álabes, que sigue la dirección ideal. contorno aerodinámico del espacio anular y una pala para dicha turbomáquina. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Turbomáquina con ensanchamiento del espacio anular y álabe
La invención se refiere a una turbomáquina según el preámbulo de la invención 1 y a un álabe para una turbomáquina.
En turbomáquinas o máquinas de flujo tales como turbopropulsores y turbinas de gas estacionarias se provoca una cantidad de pérdida significativa debido a un flujo retardado en el canal de flujo o espacio anular que conduce el gas. Dependiendo de los valores de retardo admisibles, esto da lugar, con un espacio anular ideal, a correspondientes restricciones geométricas.
Para reducir las pérdidas de flujo en el espacio anular, en el documento EP 0943 784 A1 se muestra una turbomáquina axial con un sistema de álabes de varias fases, cuyo contorno del espacio anular formado por una pared lateral en el lado del rotor y por una pared lateral en el lado del estátor está formado en el lado del rotor de forma ondulada periódicamente en la dirección axial y que presenta, de manera enfrentada a una elevación en el lado del rotor, una depresión en el lado del estátor.
Por el documento EP 0799 973 A1 se conoce una turbomáquina con un contorno del espacio anular que, directamente en la salida de una rejilla de álabes móviles, presenta un ángulo de acodamiento, que ha de estar dimensionado de tal modo que se homogeneice un flujo de salida de la rejilla de álabes móviles con respecto a la presión total y el ángulo de flujo de salida. Una rejilla de álabes móviles subsiguiente está provista, en el lado de entrada, de un correspondiente ángulo contrario.
Otros ejemplos se conocen por los documentos D102.011.076.804A1, EP 1.382.797A2 y EP1.126.132A2.
El objetivo de la invención es crear una turbomáquina con menores pérdidas de flujo en el espacio anular y un álabe para una turbomáquina de este tipo.
Este objetivo se consigue mediante una turbomáquina con las características de la reivindicación 1 y mediante un álabe con las características de la reivindicación 9.
Una turbomáquina según la invención tiene un estátor, un rotor que puede rotar alrededor de un eje de rotación y un espacio anular para conducir un flujo primario. El espacio anular lo delimitan una pared lateral en el lado del estátor y una pared lateral en el lado del rotor. En el espacio anular está dispuesta al menos una rejilla de álabes con una pluralidad de álabes. Según la invención, desviándose de un contorno del espacio anular aerodinámico ideal, aguas arriba de los álabes comienza un ensanchamiento del espacio anular radial, que se extiende aguas abajo hasta una zona trasera de la rejilla de álabes que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal.
Por “ contorno del espacio anular aerodinámico ideal” se entiende, a las temperaturas y al número de revoluciones según el punto de diseño aerodinámico, un espacio anular carente de cavidades o carente de huecos axiales, que se corresponde con una extrapolación o esencialmente con una extrapolación de las paredes laterales en el lado del estátor y en el lado del rotor. Debido a la configuración carente de cavidades, el contorno del espacio anular aerodinámico ideal se prolonga esencialmente sin saltos ni recodos entre dos rejillas de álabes.
Debido a al menos un ensanchamiento del espacio anular radial se aumenta un volumen de control de rejilla en la entrada de la rejilla de álabes y, de este modo, disminuye una velocidad de flujo en la entrada y en dirección a la zona aguas abajo de la rejilla de álabes. Así se reduce también un nivel medio del número de Mach en el volumen de control de rejilla total. Puesto que las pérdidas de presión son, en una primera aproximación, proporcionales al cuadrado de la velocidad, estas disminuyen. Una potencial pérdida debido al ensanchamiento del espacio anular queda así compensada en exceso. Adicionalmente, a velocidades menores, se reduce la generación de ruido de la turbomáquina. El ensanchamiento del espacio anular radial puede formarse tanto en el lado del compresor como en el lado de la turbina, en particular también en la turbina de alta presión (HDT), en una rejilla deflectora detrás de la HDT hacia el bastidor de la turbina central de la turbina (TMTF), en una rejilla no deflectora en el denominado bastidor central de la turbina (TCF), en la turbina de baja presión (NDT) y en el denominado cárter de salida de la turbina (TEC), de modo que puede reducirse un retardo en cada caso relevante a lo largo del flujo primario total.
A este respecto, se aprovecha el efecto de que, en las rejillas de álabes, suele estar presente una cavidad en la que vuelve a empezar cada vez una capa límite. Esto se aprovecha para ensanchar una superficie de sección transversal eficaz para el espacio anular y para desviarse de una forma de espacio anular original.
Así se reduce el nivel de velocidad local en la entrada y el nivel de velocidad medio en el volumen de control de rejilla, con lo cual se reducen las consiguientes pérdidas aerotermodinámicas.
Si el al menos un ensanchamiento del espacio anular radial está formado en el lado de la turbina, resulta ventajoso que el ensanchamiento del espacio anular radial se extienda hasta un punto de estrechamiento entre dos álabes adyacentes. El punto de estrechamiento es, a este respecto, la zona a la menor distancia entre dos álabes adyacentes.
Si el al menos un ensanchamiento del espacio anular radial está configurado en el lado del compresor, se prefiere que el ensanchamiento del espacio anular radial abarque aprox. un 70 %, es decir, entre un 65 % y un 75 %, de la anchura de la rejilla. La zona trasera, que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal, de la al menos una rejilla de álabes se corresponde, a este respecto, con la diferencia respecto a la anchura de la rejilla total, es decir, en este caso, aprox. un 30 %.
En un ejemplo de realización alternativo, el ensanchamiento del espacio anular está formado en dos lados o a ambos lados, es decir, en el lado del estátor y en el lado del rotor. Se forman, por tanto, un ensanchamiento del espacio anular en el lado del estátor y un ensanchamiento del espacio anular en el lado del rotor o el ensanchamiento del espacio anular tiene una sección retranqueada en el lado del estátor y una sección retranqueada en el lado del rotor. Mediante estas medidas puede, como mínimo, duplicarse el volumen de control de rejilla en comparación con un ensanchamiento del espacio anular en un lado, aunque al mismo tiempo evitarse una entrada de flujo desplazada radialmente de la rejilla de álabes.
Preferiblemente, una sección de pared lateral, que delimita radialmente por fuera el al menos un ensanchamiento del espacio anular radial, muestra un curso no escalonado. La sección de pared lateral puede estar formada, a este respecto, tanto en el lado del estátor como en el lado del rotor.
Una sección de pared lateral alternativa muestra un curso escalonado. Debido al curso escalonado, el ensanchamiento del espacio anular se reduce bruscamente, en comparación con el curso no escalonado.
Debido al ensanchamiento del espacio anular, los álabes tienen un borde delantero prolongado como mínimo en un 2 % en comparación con álabes que, en la misma posición, seguirían el contorno del espacio anular aerodinámico ideal. En particular se prefiere que los álabes tengan un borde delantero prolongado como mínimo en un 5 %. Sin embargo, también ha demostrado ser ventajoso un borde delantero prolongado en un 14 %. El espacio anular aerodinámico ideal interseca los bordes delanteros a través de su prolongación no en una zona en la que los bordes delanteros confluyen en las paredes laterales, sino en un punto que está radialmente distanciado de las paredes laterales o desplazado, visto desde las paredes laterales, alejándose radialmente de un centro del espacio anular.
Preferiblemente, al menos dos rejillas de álabes adyacentes presentan el ensanchamiento del espacio anular radial. De este modo, en la transición de una rejilla de álabes a una rejilla de álabes adyacente aguas abajo, que presenta el ensanchamiento del espacio anular radial, se produce un denominado “ retroceso” en el espacio anular con respecto a un espacio anular aerodinámico ideal.
Adicionalmente al ensanchamiento del espacio anular radial pueden estar previstos contorneados de pared lateral locales tales como elevaciones y depresiones. Los contorneados de pared lateral se refieren, preferiblemente, a un nivel cero sin contorneado de pared lateral para los espacios anulares aerodinámicos ideales.
Un álabe según la invención tiene al menos un contorno de plataforma con una zona delantera, que está ensanchada radialmente con respecto a un contorno del espacio anular aerodinámico ideal, y con una zona trasera, que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal y confluye en la zona delantera. Mediante esta medida se ensancha el espacio anular, comenzando en la zona aguas arriba de una rejilla fija o móvil, con respecto a un espacio anular aerodinámico ideal, en donde o bien la pared lateral radialmente interna se hunde racialmente hacia dentro y/o bien la pared lateral radialmente externa se eleva radialmente hacia fuera.
Otros ejemplos de realización ventajosos de la invención son objeto de reivindicaciones dependientes adicionales.
A continuación se explican más detalladamente ejemplos de realización preferidos de la invención con referencia a representaciones esquemáticas. Muestran:
la Figura 1 un ejemplo de realización de un espacio anular de una turbomáquina en la zona de un ensanchamiento del espacio anular radial según la invención, que comienza aguas arriba de una rejilla de álabes móviles en el lado de la turbina,
la Figura 2 una vista en planta de una sección perimetral acodada de la rejilla de álabes en el lado de la turbina, de la figura 1,
la Figura 3 un ejemplo de realización de un espacio anular de una turbomáquina en la zona de un ensanchamiento del espacio anular radial según la invención, que comienza aguas arriba de una rejilla de álabes en el lado del compresor, y
la Figura 4 una vista en planta de una sección perimetral acodada de la rejilla de álabes en el lado del compresor, de la figura 3.
En la figura 1 se muestra una vista lateral de un espacio anular 1 de una turbomáquina según la invención para conducir un flujo primario 2 en la zona de una rejilla de álabes 4, en este caso una rejilla de álabes móviles. El flujo primario 2 atraviesa el espacio anular 1 según la representación de la flecha, de izquierda a derecha. La turbomáquina es, por ejemplo, un turbopropulsor y, además del espacio anular 1, tiene un estátor (no mostrado) y un rotor (no mostrado), que está montado de manera que puede rotar alrededor de un eje de rotación 6 indicado, en el estátor.
El espacio anular 1 lo delimitan, radialmente por fuera, con respecto al eje de rotación 6 del rotor, una pared lateral en el lado del estátor 8 y, radialmente por dentro, una pared lateral en el lado del rotor 10. La rejilla de álabes 4 está conectada con el rotor de manera resistente a la torsión y con su corona de plataforma radialmente interna forma parte de la pared lateral en el lado del rotor 10. Una parte de la pared lateral en el lado del estátor 8 la forma, en este ejemplo de realización, una corona de plataforma radialmente externa de la rejilla de álabes 4, aunque también puede estar formada por elementos de entrada de flujo en el lado del estátor para las puntas de álabe de la rejilla de álabes 4.
La rejilla de álabes 4 tiene una pluralidad de álabes 12, que están dispuestos uno al lado de otro en la dirección perimetral. Cada álabe 12 forma, a este respecto, con su propia plataforma radialmente interna y, en este caso, también con su plataforma radialmente externa, una sección de las coronas de plataforma.
Según la invención, desviándose de un contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16 (representado mediante línea de puntos y rayas), aguas arriba de los álabes 4 comienzan dos ensanchamientos del espacio anular 18, 20 radiales, que se extienden aguas abajo hasta una zona trasera 22, 24 de la rejilla de álabes 4, que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16.
Por contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16 se entiende, a este respecto, un espacio anular carente de cavidades o carente de huecos axiales, que se corresponde con una extrapolación o esencialmente con una extrapolación de las paredes laterales en el lado del estátor y en el lado del rotor 8, 10. Debido a la configuración carente de cavidades, el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16 se prolonga esencialmente sin saltos ni recodos entre rejillas de álabes 4 adyacentes.
Debido a los ensanchamientos del espacio anular radiales 18, 20 se aumenta un volumen de control de rejilla en la entrada de la rejilla de álabes 4 y, de este modo, disminuye una velocidad de flujo en la entrada y en dirección a las zonas 22, 24 aguas abajo de la rejilla de álabes 4. Así se reduce también un nivel medio del número de Mach en el volumen de control de rejilla total. Puesto que las pérdidas de presión son, en una primera aproximación, proporcionales al cuadrado de la velocidad, estas disminuyen por consiguiente. Una potencial pérdida debido a los ensanchamientos del espacio anular 18, 20 radiales queda así compensada en exceso. Adicionalmente, a velocidades menores, se reduce la generación de ruido de la turbomáquina.
Un ensanchamiento del espacio anular 18 está formado en el lado del estátor y el otro ensanchamiento del espacio anular 20, en el lado del rotor. Básicamente puede decirse también que un ensanchamiento del espacio anular está formado en dos lados o a ambos lados. Estos se consiguen mediante un retranqueo de la pared lateral en el lado del estátor 8 y de la pared lateral en el lado del rotor 10. Para ilustrar gráficamente los ensanchamientos del espacio anular se han dibujado en la figura 2 cursos de corona de plataforma 25, 27 de una rejilla de álabes convencional en la misma posición.
El ensanchamiento del espacio anular 18 en el lado del estátor se realiza preferiblemente de tal manera que la corona de plataforma radialmente externa de la rejilla de álabes 4 está desplazada en el lado de entrada radialmente hacia fuera y muestra en dirección a la zona trasera 22 un curso no escalonado, orientado radialmente hacia dentro, hasta que la corona de plataforma radialmente externa llega a su zona trasera 22, que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14.
El ensanchamiento del espacio anular 20 en el lado del rotor se realiza preferiblemente en el lado de entrada de la corona de plataforma radialmente interna de la rejilla de álabes 4 en forma de escalón, en donde la corona de plataforma radialmente interna aguas abajo de un escalón 26 muestra un curso no escalonado, que se sitúa radialmente por dentro respecto al contorno del espacio anular aerodinámico ideal 16. Aguas abajo del escalón 26, la corona de plataforma radialmente interna confluye, dirigida radialmente hacia fuera, en la zona trasera 24, que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 16.
La consecuencia estructural del ensanchamiento del espacio anular 18, 20 radial en dos lados es que los bordes delanteros 28 de los álabes 12 se prolongan radialmente con respecto a los bordes delanteros en comparación con álabes que, en la misma posición, seguirían el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16. Preferiblemente, los bordes delanteros 28 de los álabes han experimentado una prolongación total lri lra de como mínimo en un 2 %, en particular en un 5 %. Los bordes traseros 30 de los álabes 12 se mantienen sin cambios, debido a las zonas traseras 22, 24 que siguen con respecto al contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16, o no prolongados con respecto a álabes convencionales en la misma posición.
Tal y como se esboza con ayuda de una sección perimetral desarrollada de la rejilla de álabes 4 en la figura 2 mirando hacia la corona de plataforma interna 10, los ensanchamientos del espacio anular 18, 20 radiales en el lado de la turbina se extienden preferiblemente hasta un punto de estrechamiento 36 entre dos álabes 12, 34 adyacentes de la rejilla de álabes. El punto de estrechamiento 36 se encuentra a la menor distancia a entre los álabes 12, 34 adyacentes y representa, en general, la superficie de sección transversal más pequeña de un canal de flujo delimitado, en la dirección perimetral, por dos álabes 12, 34 adyacentes. La menor distancia a viene dada por la caída de la plomada de una sección de lado de succión 38 de un álabe móvil 34 con respecto al borde trasero 30 del álabe 12 adyacente. El punto de estrechamiento 36 está dispuesto, en la rejilla de álabes 4 en el lado de la turbina, por tanto, en el lado de salida. A este respecto se toma una línea de contacto 40 virtual como delimitación axial para los ensanchamientos del espacio anular 18, 20. La línea de contacto 40 virtual está dispuesta en el centro del punto de estrechamiento 36 entre los álabes 12, 34 y se extiende en la dirección perimetral. En particular, está dispuesta aguas arriba de los bordes traseros 30 y, por tanto, distanciada axialmente de estos (véase también la figura 1), de modo que los bordes traseros 30 se encuentran en las zonas 22, 24 que siguen el contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16.
En la figura 3 se muestra un espacio anular 1 de una turbomáquina en la zona de una rejilla de álabes 4 en el lado del compresor, en particular una rejilla de álabes fijos, con un ensanchamiento del espacio anular 18 en el lado del estátor y con un ensanchamiento del espacio anular 20 en el lado del rotor. Los ensanchamientos del espacio anular 18, 20 están realizados con respecto a un contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14, 16 en cada caso por retranqueos radiales de paredes laterales 8, 10 del espacio anular 1. Las paredes laterales 8, 10 están formadas en la zona de la rejilla de álabes 4 por una corona de plataforma radialmente externa y una corona de plataforma radialmente interna de la rejilla de álabes 4.
El ensanchamiento del espacio anular 18 en el lado del estátor o la corona de plataforma radialmente externa está formado, de manera análoga al ejemplo de realización anterior, no escalonado. El ensanchamiento del espacio anular 20 en el lado del rotor, a diferencia del ejemplo de realización anterior, es igualmente no escalonado, de modo que una corona de plataforma desplazada radialmente hacia dentro, en el lado de entrada, de la rejilla de álabes 4 discurre no escalonado y confluye igualmente no escalonado, dirigida radialmente hacia fuera, en su zona trasera 24 a la altura del contorno del espacio anular aerodinámico ideal 14.
Como se esboza en la figura 4, los ensanchamientos del espacio anular 18, 20 radiales en el lado del compresor se extienden, a diferencia de los ensanchamientos del espacio anular radiales en el lado de la turbina, preferiblemente solo hasta el punto de estrechamiento 36 entre dos álabes 12, 34 adyacentes de la rejilla de álabes 4, sino bastante más allá, ya que el punto de estrechamiento 36 en la rejilla de álabes 4 en el lado del compresor está dispuesto en el lado de entrada. Preferiblemente, los ensanchamientos del espacio anular 18, 20 radiales se extienden, en una rejilla de álabes 4 en el lado del compresor, hasta una anchura de la rejilla de aprox. un 70 %, es decir, las zonas traseras 22, 24, que siguen los contornos del espacio anular 18, 20 aerodinámicos ideales, de la al menos una rejilla de álabes 4 se corresponden con la diferencia respecto a la anchura total de la rejilla, es decir, en el ejemplo de realización mostrado en este caso, preferiblemente aprox. un 30 %.
Evidentemente, en los ejemplos de realización explicados en las figuras 1 a 4, cualquier ensanchamiento del espacio anular 18, 20 puede realizarse en sí mismo también antes de la rejilla de álabes 4 y, por tanto, ya en la zona de una sección de pared lateral en el lado del estátor o en el lado del rotor dispuesta aguas arriba de manera adyacente a la rejilla de álabes 4.
Se divulga una turbomáquina, con un estátor, con un rotor que puede rotar alrededor de un eje de rotación, y con un espacio anular para conducir un flujo primario, que tiene una pared lateral en el lado del estátor y una pared lateral en el lado del rotor y en el que está dispuesta al menos una rejilla de álabes con una pluralidad de álabes, en donde, desviándose de un contorno del espacio anular aerodinámico ideal, aguas arriba de los álabes comienza un ensanchamiento del espacio anular radial, que se extiende aguas abajo hasta una zona trasera de la rejilla de álabes que sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal, así como un álabe para una turbomáquina de este tipo.
Lista de referencias
1 espacio anular
2 flujo primario
4 rejilla de álabes
6 eje de rotación
8 pared lateral en el lado del estátor
10 pared lateral en el lado del rotor
12 álabe
14 contorno del espacio anular aerodinámico ideal
16 contorno del espacio anular aerodinámico ideal
18 ensanchamiento del espacio anular
20 ensanchamiento del espacio anular
22 zona trasera
24 zona trasera
25 curso de la pared lateral convencional
26 escalón
27 curso de la pared lateral convencional
28 borde delantero
30 borde trasero
34 álabe
36 punto de estrechamiento
38 sección de lado de succión
40 línea de contacto
A distancia
Iri prolongación radialmente interna
Ira prolongación radialmente externa
Claims (9)
1. Turbomáquina, con un estátor, con un rotor que puede rotar alrededor de un eje de rotación (6), y con un espacio anular para conducir un flujo primario (2), que tiene una pared lateral en el lado del estátor (8) y una pared lateral en el lado del rotor (10) y en el cual está dispuesta al menos una rejilla de álabes (4) con una pluralidad de álabes (12), en donde, desviándose de un contorno del espacio anular aerodinámico ideal (14, 16), que se corresponde con un espacio anular carente de cavidades en una extrapolación de las paredes laterales en el lado del estátor y en el lado del rotor (8, 10), aguas arriba de los álabes (12) comienza un ensanchamiento del espacio anular (18, 20) radial que se extiende aguas abajo hasta una zona trasera (22, 24) de la rejilla de álabes (4), y en donde los álabes (12), debido al ensanchamiento del espacio anular (18, 20), tienen un borde delantero (28) prolongado como mínimo en un 2 % en comparación con los álabes (12) que, en la misma posición, seguirían el contorno del espacio anular aerodinámico ideal (14, 16), caracterizada por que la zona trasera (22, 24) de la rejilla de álabes (4) sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal (14, 16).
2. Turbomáquina según la reivindicación 1, en la que el ensanchamiento del espacio anular (18, 20) se extiende hasta un punto de estrechamiento (36) entre dos álabes (12) adyacentes de la rejilla de álabes (4).
3. Turbomáquina según la reivindicación 1, en donde el ensanchamiento del espacio anular (18, 20) abarca aprox. un 70 % de la anchura de la rejilla.
4. Turbomáquina según la reivindicación 1, 2 o 3, en donde el ensanchamiento del espacio anular (18, 20) está formado en dos lados.
5. Turbomáquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una sección de la pared lateral (8) que delimita el ensanchamiento del espacio anular (18, 20) muestra un curso no escalonado.
6. Turbomáquina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde una sección de la pared lateral (10) que delimita el ensanchamiento del espacio anular (18, 20) muestra un curso escalonado.
7. Turbomáquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos dos rejillas de álabes (4) adyacentes presentan el ensanchamiento del espacio anular (18, 20).
8. Turbomáquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde están formados contorneados de pared lateral locales.
9. Álabe (12) para una turbomáquina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el álabe comprende una plataforma y la plataforma tiene un contorno de plataforma con una zona delantera y con una zona trasera, en donde la zona delantera confluye en la zona trasera y la zona delantera está ensanchada radialmente con respecto a un contorno del espacio anular aerodinámico ideal, en donde el álabe (12), debido al ensanchamiento del espacio anular (18, 20), tiene un borde delantero (28) prolongado como mínimo en un 2 % en comparación con los álabes (12) que, en la misma posición, seguirían el contorno del espacio anular aerodinámico ideal (14, 16), caracterizado por que la zona trasera sigue el contorno del espacio anular aerodinámico ideal.
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