MXPA01000038A

MXPA01000038A - Alabe movil para turbina.

Info

Publication number: MXPA01000038A
Application number: MXPA01000038A
Authority: MX
Inventors: Hirano Yuichiro
Original assignee: Mitsubishi Heavy Ind Ltd
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-08
Publication date: 2002-08-06
Also published as: SG85218A1; CN1303990A; JP2001193403A; JP3785013B2; CN1276169C; ES2172439A1; ES2172439B2; MY126074A; US6533545B1

Abstract

Se da a conocer un alabe movil. Cuando un angulo, formado por una tangente respecto de la porcion supeficial dorsal en el borde frontal del alabe movil y una linea recta perpendicular respecto a un eje rotativo de la turbina, se designa ? y un angulo geometrico de salida del alabe fijo se designa ?N, ? guarda la relacion ?N + 2° < ? < ?N + 12°. En consecuencia, la forma de la porcion superficial dorsal, en el borde frontal y una porcion adyacente al mismo, del alabe movil no es paralela a la estela del alabe fijo. Por lo tanto, el alabe movil puede contribuir a aumentar la eficacia de la turbina y al mismo tiempo suprimir un aumento repentino en la velocidad del flujo.

Description

ALABE MÓVIL PARA TURBINA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Ámbito de la invención Esta invención trata sobre un alabe móvil y, más en concreto, de un alabe móvil útil instalado en una turbina de impulsión de flujo axial. 2. Descripción del área relacionada. La FIGURA 5 muestra alabes móviles, además de alabes fijos, de una turbina de impulsión de flujo axial basada en una tecnología primaria. Como se muestra en el dibujo, múltiples alabes móviles 1 se encuentran en la dirección circunferencial de un propulsor (en el dibujo no aparece) . Se instalan en la coraza (no aparece en el dibujo) de la turbina de impulsión de flujo axial múltiples alabes fijos 2. Los alabes fijos 2 funcionan como inyectores que abastecen a los alabes móviles con un fluido que corre a una alta velocidad y elevada presión (por ejemplo, el vapor) . Un análisis de la velocidad de flujo en este tipo de turbinas de impulsión de flujo axial demuestra ahora la ocurrencia de un importante fenómeno. Tradicionalmente se creía que, en este tipo de turbinas, la región de la velocidad baja del flujo, la cual tiene una forma de banda y es conocida como estela del alabe fijo 3 (la parte punteada del dibujo) , se originaba atrás del borde posterior 2a de los alabes fijos 2. Hace poco se descubrió que cada vez que el alabe móvil 1 corta la estela del alabe fijo 3 por rotación de la turbina, se produce una región de alta velocidad (la parte sombreada del dibujo) 4 de fluido muy acelerado en la porción dorsal la del alabe móvil 1. Es posible que el mecanismo creador de esta área sea el siguiente: La estela del alabe fijo 3 funciona como una efectiva pared en contra del flujo principal que corre a una velocidad alta. En consecuencia, cuando el alabe móvil 1 se aproxima a la estela del alabe fijo 3 conforme al movimiento rotatorio de un alabe móvil 1 (en el dibujo se indica la dirección del movimiento rotatoria mediante una flecha A) , se forma con eficacia un paso entre la estela del alabe fijo 3 y el alabe móvil 1. De ahí que la región de alta velocidad 4 del fluido muy acelerado se encuentre en la porción superficial dorsal la. del alabe móvil 1 con el transcurso del tiempo. La estela del alabe fijo 2 se forma atrás de cada uno de los alabes fijos 2 y a su vez la región de alta velocidad se crea correspondiendo a cada estela del alabe fijo 3. Sin embargo, sólo una estela del alabe fijo 3 y una región de alta velocidad aparecen en el dibujo a modo de eje plificación.

Cuando se forma la región inestable de alta velocidad arriba descrita, en la que la velocidad de flujo repentinamente aumenta al momento de acercarse a la estela del alabe fijo, en la porción superficial dorsal la del alabe móvil 1, es grave la pérdida de turbina en este sitio. Esto se debe a que si se levanta la pared en el paso del fluido, se presenta la fricción correspondiente a la diferencia de velocidad de flujo entre la región de alta velocidad y la de baja velocidad. En consecuencia se calienta la energía quinética del fluido debido a la fricción, es decir, se presenta una pérdida de presión total . Por lo que la eficacia de la turbina se ve menguada. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención responde a los problemas antes expuestos con la tecnología primaria. El objetivo de esta invención es incorporar un alabe móvil que aumente la eficacia de una turbina en el momento en que frene un aumento inestable y repentino de la velocidad de flujo. Con el fin de alcanzar dicho objetivo, los inventores realizaron investigaciones sobre las condiciones que propician la formación de una marcada región de alta velocidad 4 encontrándose con lo siguiente : La forma de la estela del alabe fijo 3 se determina únicamente por la forma del alabe fijo 2. Por otra parte, el alabe móvil 1 se configura por la distribución uniforme de la velocidad de flujo en un rango entre un borde frontal Ib y uno dorsal del alabe móvil 1 y se asegura gracias al ángulo de salida del fluido que emerge del alabe fijo 2. A partir de esto se determinan el ángulo de entrada aproximado, así como las formas aproximadas de la porción superficial dorsal la y la porción superficial ventral le. En consecuencia, con el alabe móvil 1 de acuerdo con la tecnología primaria, la porción superficial dorsal en el borde frontal Ib del alabe móvil resulta ser paralela a la estela del alabe fijo 3. Esto puede ser la causa principal del aumento inestable y repentino en la velocidad de flujo. Cuando la porción superficial dorsal está configurada de esa manera, se forma un paso, mucho más evidente, entre la estela del alabe fijo 3 y la porción superficial dorsal la del alabe móvil 1. En los siguientes aspectos se explican las características de la presente invención, cuyos fundamentos están en lo antes descrito: 1) Un alabe móvil instalado en una turbina con múltiples alabes móviles colocados en la dirección circunferencial de un propulsor; el alabe móvil sobre el que actúa un fluido, que ha dejado alabes inmóviles como alabes fijos, a fin de transmitir una fuerza rotatoria al propulsor, donde: Una porción superficial dorsal, en el borde frontal y una porción adyacente al mismo, del alabe móvil tiene una forma acanalada a fin de no ser paralela a la estela de un alabe fijo. De acuerdo con el aspecto anterior de la invención, la forma de la porción superficial dorsal en el borde frontal del alabe móvil puede desplazarse de la estela del alabe fijo. Por lo que es posible ampliar el paso formado entre la porción superficial dorsal y la estela del alabe fijo al momento en que el alabe móvil cruza la estela del alabe fijo con su movimiento rotativo. Así, un aumento inestable de la velocidad de flujo en la porción superficial dorsal puede suprimirse. En consecuencia, aún cuando el alabe móvil corte en forma periódica la estela del alabe fijo conforme al movimiento del alabe móvil, existe la posibilidad de desaparecer una región parcial de alta velocidad de la velocidad de flujo, eliminar una pérdida total de la presión en este sitio, así como contribuir a aumentar la eficiencia de la turbina. 2) En el caso del alabe móvil descrito en el aspecto 1) anterior, cuando un ángulo, formado por una tangente respecto de la porción superficial dorsal en el borde frontal del alabe móvil y una línea recta perpendicular respecto a un eje rotativo de la turbina, se denomina ? y un ángulo geométrico de salida del alabe fijo se designa aN, ? guarda la siguiente relación: a + 2° < ? < aN + 12° De acuerdo con este aspecto, no sólo se obtuvo las acciones descritas en el aspecto 1) , sino también se limitó el valor más alto de ?. Así es posible garantizar con eficacia una relación geométrica, como la del ángulo de entrada del alabe móvil y el ángulo de salida del alabe fijo. En consecuencia, los alabes móviles pueden ayudar a aumentar la eficiencia de la turbina, sin sacrificar otras características . 3) En el alabe móvil descrito en los aspectos 1) y 2) anteriores, cuando el grosor máximo del alabe móvil se denomina Tma? y su anchura, distancia entre el borde frontal y el posterior del alabe móvil, se designa W, Tmax/ guardan la siguiente relación: 0.33 < Tmax/ < 0.42 De acuerdo con este aspecto, se obtuvo las acciones descritas en los aspectos 1) y 2) , además de que el alabe móvil formó una pared delgada. Por lo que el paso entre los alabes móviles adyacentes se amplía. Cabe la posibilidad de que la velocidad promedio del flujo en este sitio disminuya. En consecuencia, es posible eliminar una región de alta velocidad de la velocidad de flujo entre la estela del alabe fijo y la porción superficial dorsal del alabe móvil, además de facilitar un futuro aumento en la eficiencia de la turbina . 4) En el alabe móvil descrito en los aspectos 1) o 2) anteriores, cuando un ángulo, formado por una tangente respecto a la porción superficial ventral en el borde frontal del alabe móvil y una tangente a la porción superficial dorsal, se denomina ßinc, la- cual guarda la siguiente relación: De acuerdo con este aspecto, no sólo se obtuvo las acciones descritas en los aspectos 1) y 2) , sino también que grosor del alabe móvil sea menor cerca del borde frontal donde en especial la velocidad del fluido aumenta debido a la estela del alabe fijo. Así, el paso entre los alabes móviles adyacentes se amplía y la velocidad promedio de flujo en este sitio puede disminuirse. En consecuencia, cabe la posibilidad de que eliminar de manera óptima una región de alta velocidad de la velocidad de flujo entre la estela del alabe fijo y la porción superficial dorsal del alabe móvil, además de facilitar un futuro aumento en la eficiencia de la turbina. 5) En el alabe móvil descrito en los aspectos 1) o 2) anteriores, cuando el grosor máximo del alabe móvil se denomina Tmax y su anchura, distancia entre el borde frontal y el posterior del alabe móvil, se designa , Tma?/ guardan la siguiente relación: 0.33 < Tmax/ < 0.42 y cuando un ángulo, formado por una tangente respecto a la porción superficial ventral en el borde frontal del alabe móvil y una tangente a la porción superficial dorsal, se denomina ßinC la cual guarda la siguiente relación: 13° < ßinc < 27° De acuerdo con este aspecto, se obtuvo la superimposición de las acciones descritas en el aspecto 1) o 2) y los aspectos 3) y 4) . En consecuencia, el incremento de la eficiencia de la turbina puede alcanzar un grado sumamente importante . BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Podrá entenderse mejor la presente invención a partir de la descripción detallada que se dará a continuación y de los dibujos anexos que se ofrecen únicamente a modo de ejemplo, por lo que no deberán considerarse como limitativos para la presente invención y en donde: LAS FIGURAS 1 (a) , 1 (b) y 1 (c) hacen referencia a una de las modalidades de la presente invención. La Figura 1 (a) es un esquema que muestra un alabe móvil, la Figura 1 (b) es una imagen explicativa que muestra conceptualmente un ángulo geométrico de salida de un alabe fijo y la Figura 1 (c) es una imagen parcial que muestra, en forma resumida, una porción del borde frontal del alabe móvil; La FIGURA 2 es un esquema que muestra las formas (líneas continuas) de dos alabes móviles con base en la modalidad de esta invención, en comparación con las formas (líneas punteadas) de dos alabes móviles con base en la tecnología primaria,- La FIGURA 3 muestra las características de la distribución superficial de la velocidad de flujo (líneas continuas) del alabe móvil con base en la modalidad de esta invención, en comparación con las características de la distribución superficial de la velocidad de flujo (líneas punteadas) del alabe móvil con base en la tecnología primaria; La FIGURA 4 muestra las características de la eficiencia (la línea continua) de la temperatura de una turbina con el alabe móvil basado en la modalidad de esta invención, en comparación con la eficiencia (la línea punteada) de la temperatura de una turbina con turbina con el alabe móvil con base en la tecnología primaria; y La FIGURA 5 es un esquema que muestra los alabes móviles, junto con los alabes fijos, de una turbina de impulsión de flujo axial con base en la tecnología primaria. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERENTES A continuación se describirá una modalidad de esta invención haciendo referencia a los dibujos anexos, sin embargo deberá entenderse que la invención no está limitada a los mismos. La modalidad guarda una relación con los dispositivos creados para la forma de una porción superficial dorsal de un alabe móvil en relación con la estela del alabe fijo. El problema es cuál ángulo del alabe móvil debe ser configurado en respuesta al ángulo de la estela del alabe fijo. Así, se definió un ángulo geométrico de salida ocN como el parámetro correspondiente al ángulo de salida del alabe fijo y se especificó una forma preferente del alabe móvil en relación con el ángulo geométrico de salida aN. Un labe fijo 2 es igual al que se muestra en la Figura 5 de la tecnología primaria. Esta modalidad se explicará con un alabe móvil combinado con un alabe fijo 2.

LAS FIGURAS 1 (a) , 1 (b) y 1 (c) se refieren la modalidad de la presente invención. La Figura 1 (a) es un esquema que muestra un alabe móvil, la Figura 1 (b) es una imagen explicativa que muestra conceptualmente un ángulo geométrico de salida de un alabe fijo y la Figura 1 (c) es una imagen parcial que muestra, en forma resumida, una porción del borde frontal del alabe móvil. En la FIGURA 1 (a) , el número 11 se re iere a un alabe móvil, lia a una porción superficial dorsal, 11b a un borde frontal, 11c a una porción superficial ventral y lid a un borde posterior. Múltiples alabes móviles 11 se encuentran en una relación de posiciones como la que se muestra en la FIGURA 5, es decir, están colocados en la dirección circumferencial de un propulsor (el cual no se muestra) y opuestos a los alabes fijos 2. En consecuencia, un fluido que viene de fuera entre los alabes fijos 2 actúa sobre los alabes móviles 11, transmitiendo una fuerza rotatoria al propulsor. Cuando un ángulo, formado por una tangente Lx respecto a la porción superficial dorsal lia del alabe móvil 11 en el borde frontal 11b del alabe móvil 11 y una línea recta L2 perpendicular respecto a un eje rotativo de la turbina, se denomina ? y un ángulo geométrico de salida del alabe fijo se designa aN, ? se ubica en el rango definido por la siguiente Expresión (1) aN + 2° < ? < aN + 12° (1) Se opta más por que ? se ubique en el rango definido en la siguiente Expresión (2) : aN + 5 ° < ? < aN + 7 ° (2 ) En este caso, el ángulo geométrico de salida N del alabe fijo 2 es un ángulo definido de la siguiente manera: Como se muestra en la FIGURA 1 (b) , se señala con CN a la cabezada del alabe fijo, distancia entre los alabes fijos adyacentes, y con dN a la anchura del paso del alabe fijo, distancia del borde posterior 2a de uno de los alabes fijos adyacentes a la porción superficial dorsal del otro alabe fijo 2. En este caso, N se obtiene mediante la ecuación aN = sin"1 (dN/CN) , debido a que la línea recta, producto del paso del alabe fijo dN, y una tangente al alabe fijo 2, cuyo resultado es el ángulo geométrico de salida, pueden manejarse al ser casi perpendiculares respecto al otro. El , límite máximo del ángulo ? establecido por la restricción numérica antes mencionda se determinó considerando los siguientes factores: Al mismo tiempo que se especificó el ángulo geométrico de salida aN del alabe fijo 2, también se especificó la forma preferible de la porción en el borde frontal 11b del alabe móvil 11, correspondiente al mismo. Esta forma preferible se obtiene con la suma del ángulo ?' y el ángulo antes mencionado ?, entendiéndose el ángulo ?' como el formado por una tangente Li respecto a la porción superficial ventral 11c del alabe móvil 11 en el borde frontal 11b del alabe móvil 11 y una línea recta L2 perpendicular respecto a un eje rotativo de la turbina. Por lo tanto, cuando se determina el ángulo ?, también se establece el ángulo ?' en el marco de la suma de los ángulos ?' y ?. Es decir, el ángulo correspondiente a esta suma no puede ser mayor. Al limitar de esa manera el ángulo ?, la forma de la porción superficial dorsal lia en el borde frontal 11b del alabe móvil 11 puede desplazarse de la estela del alabe fijo 3 (Véase FIGURA 5, la cual se tomará de base para las siguientes descripciones) . Es decir, la forma de la porción superficial dorsal lia y la estela del alabe fijo 3 dejan de ser paralelas, siendo posible ampliar el paso formado entre la porción superficial dorsal lia en el borde frontal 11b del alabe móvil 11 y la estela del alabe fijo 3 al momento en que el alabe móvil 11 cruza la estela del alabe fijo con un movimiento rotativo. Así, es posible suprimir un aumento inestable de la velocidad de flujo en la porción superficial dorsal . La FIGURA 2 es un esquema que muestra las formas (líneas continuas) de los alabes móviles 11 con base en la modalidad de esta invención arriba mencionada, en comparación con las formas (líneas punteadas) de los alabes móviles basados en la tecnología primaria que se muestran en la FIGURA 5. Al hacerse evidente por referencia al dibujo, el alabe móvil 11 basado esta modalidad toma una forma por el acanalamiento de la porción superficial dorsal la cerca del borde frontal Ib del alabe móvil 1 basado en la tecnología primaria (Véase FIGURA 5, la cual se tomará de base para las siguientes descripciones) . Como resultado, es posible desplazar la forma de la porción superficial dorsal lia lejos de la dirección de la estela del alabe fijo. Casualmente, con el alabe móvil 1 basado en la tecnología primaria, el ángulo ? se forma siendo casi idéntico al ángulo geométrico de salida aN del alabe fijo 2. Al menos es cierto que el ángulo ? no es mayor a (aN + 2°) . Debido a la restricción numérica antes mencionada del ángulo ?, la forma de la porción superficial dorsal lia del alabe móvil 11 puede desplazarse lejos de la estela del alabe fijo, en lugar de ser paralela a ésta. En la presente modalidad, se adopta la siguiente restricción numérica adicional : Los círculos señalados mediante líneas punteadas dobles, los cuales aparecen en la forma del alabe móvil 11 que se muestra en la FIGURA 1 (a) , tienen diámetros que representan el grosor del alabe móvil 11 en el sitio en cuestión, cuando el grosor máximo del alabe móvil se denomina Tmax y su anchura, distancia entre el borde frontal y el posterior del alabe móvil, se designa , el índice Tmax/W se crea para cumplir con la relación 0.33 < Tmax/W < 0.42, 0.34 < Traax/ < 0.38. A consecuencia de esto, el alabe móvil 11 forma una pared delgada. Por lo que el paso entre los alabes móviles adyacentes se amplía, en donde es posible reducir la velocidad promedio del flujo en este sitio. Por casualidad, el índice Tmax/ en el alabe móvil basado en la tecnología primaria supera 0.42. En esta modalidad, se da la mayor restricción numérica: Según se muestra en la FIGURA 1 (c) , un ángulo, formado por una tangente L4 respecto a la porción superficial dorsal lia en el borde frontal 11b del alabe móvil 11 y una tangente L5 respecto a la porción superficial ventral, se denomina ßinc, cuya relación es 13° < ßinc < 27°. En consecuencia, el alabe móvil 11 tiene un grosor menor cerca del borde frontal 11b donde la velocidad del fluido aumenta en particular debido a la estela del alabe fijo 3. Entonces, el paso entre los alabes móviles adyacentes 11 se amplía, en donde es posible reducir la velocidad promedio del flujo. Por casualidad, el ángulo ß?nc en el alabe móvil 1 basado en la tecnología primaria supera 27° . Se determinaron los valores límites mínimos del índice max/W y el ángulo ßinc a fin de obtener un grosor predeterminado, ya que el grosor del alabe móvil 11 está sujeto a las condiciones para propiciar una distribución uniforme de la velocidad de flujo en la ruta desde el borde frontal 11b al borde posterior lid del alabe móvil 11. En el caso de la turbina con un alabe móvil basado en la modalidad antes descrita, la forma de la porción superficial dorsal 11 del alabe móvil no es paralela al alabe fijo 3. Por lo tanto, aún cuando el alabe móvil 11 corte la estela del alabe fijo 3 por el movimiento rotatorio del primero, es posible garantizar un paso relativamente amplio entre la estela del alabe fijo y el alabe móvil 11. Entonces, no aparece en el paso una región de alta velocidad. Además, se mejoraron el índice Tmax/ y el ángulo ßiac a fin de aumentar la velocidad promedio de flujo entre los alabes móviles adyacentes. Asimismo, a partir de esto se puede evitar la posibilidad de que se cree una región de alta velocidad 4. La FIGURA 3 muestra las características de la distribución superficial de la velocidad de flujo (líneas continuas) del alabe móvil 11 con base en la modalidad antes señalada, en comparación con las características de la distribución superficial de la velocidad de flujo (líneas punteadas) del alabe móvil con base en la tecnología primaria. La FIGURA 4 muestra las características de la eficiencia (la línea continua) de la temperatura de una turbina con el alabe móvil 11 basado en la modalidad de esta invención, en comparación con la eficiencia (la línea punteada) de la temperatura de una turbina con turbina con el alabe móvil con base en la tecnología primaria. En la FIGURA 3 , se podrá observar que se da una notable reducción en la velocidad de reducción en la porción superficial dorsal lia cerca del borde frontal 11b del alabe móvil 11. En la FIGURA 4, la eficiencia de la turbina se incrementa en cualquier momento de un periodo y la eficiencia promedio en un periodo aumentó visiblemente. Un periodo en la FIGURA 4 hace referencia al tiempo transcurrido a partir del momento en que un alabe móvil 11 corte la estela de un alabe fijo 3 hasta cuando el siguiente alabe móvil 11 corte la siguiente estela del alabe fijo 3. Las especificaciones en las FIGURAS 3 y 4 son las siguientes: ángulo ? = 21.9°, Tmax/ = 0.38 y el ángulo ß?nc = 24.3°. El alabe móvil 11 de la modalidad arriba descrita se explicó tomando como base una turbina de impulsión, pero esto no es limitativo. Sin embargo, el alabe móvil será particularmente útil, en caso de se instale en una turbina de impulsión con un ángulo de entrada pequeño y con una porción superficial dorsal cuya forma tienda a ser paralela a la estela del alabe fijo. Si bien esta invención se describió de cierta manera, deberá entenderse que dicha invención no se limita a tal descripción ya que puede tener muchas variantes . Estas variantes no se consideraron como punto de partida del espíritu y alcance de la invención y todas las modificaciones que pudieran ser obvias para cualquier experto en la materia se incluyen dentro de las reinvindicaciones anexas .

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un alabe móvil instalado en una turbina con múltiples alabes móviles colocados en la dirección circunferencial de un propulsor; el alabe móvil sobre el que actúa un fluido, que ha dejado a los alabes inmóviles como alabes fijos, a fin de transmitir una fuerza rotatoria al propulsor, donde: Una porción superficial dorsal, en el borde frontal y una porción adyacente al mismo, del alabe móvil tiene una forma acanalada a fin de no ser paralela a la estela de un alabe fijo.

2. El alabe móvil de la reivindicación 1, donde: cuando un ángulo, formado por una tangente respecto de la porción superficial dorsal en el borde frontal del alabe móvil y una línea recta perpendicular respecto a un eje rotativo de la turbina, se denomina ? y un ángulo geométrico de salida del alabe fijo se designa aN, ? guarda la siguiente relación: aN + 2° < ? < aN + 12°

3. El alabe móvil de la reivindicación 1 o 2 , donde : cuando el grosor máximo del alabe móvil se denomina Tmax y su anchura, distancia entre el borde frontal y el posterior del alabe móvil, se designa , Tmax/W guardan la siguiente relación: 0.33 < Traax/ < 0.42

4. El alabe móvil de la reivindicación 1 o 2, donde: cuando un ángulo, formado por una tangente respecto a la porción superficial ventral en el borde frontal del alabe móvil y una tangente a la porción superficial dorsal, se denomina ßinC la cual guarda la siguiente relación:

5. El alabe móvil de la reivindicación 1 o 2, donde: cuando el grosor máximo del alabe móvil se denomina Tmax y su anchura, distancia entre el borde frontal y el posterior del alabe móvil, se designa , Tmax/W guardan la siguiente relación: 0.33 < Tmax/W < 0.42 y cuando un ángulo, formado por una tangente respecto a la porción superficial ventral en el borde frontal del alabe móvil y una tangente a la porción superficial dorsal, se denomina ßinC/ la- cual guarda la siguiente relación: 13° < ßnc < 27°