ES2243448T3 - Perfil aerodinamico para una turbomaquina de flujo axial. - Google Patents
Perfil aerodinamico para una turbomaquina de flujo axial.Info
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Abstract
Una paleta de estator de la turbina (41) para el uso en un anillo de paletas similares dispuesto en una turbina de flujo axial que tiene una trayectoria anular para un fluido de funcionamiento de la turbina, comprendiendo la paleta un perfil aerodinámico que atraviesa la trayectoria anular y teniendo una región radialmente interna de la plataforma (45), una región radialmente externa de la extremidad (46), un borde remitente axialmente (44) y un borde de tracción axialmente posterior (43), teniendo el perfil aerodinámico una superficie de presión (47) y una superficie de succión (42) que son respectivamente convexas y cóncavas entre la región de la plataforma (45) y la región de la extremidad (46) en un plano (48) que se extiende radialmente desde la trayectoria anular y transversalmente desde la dirección axial, siendo recto el borde de tracción (43) del perfil aerodinámico de la región desde la plataforma hasta la región de la extremidad y orientado radialmente desde la trayectoria anular, y siendo alcanzadas dichas curvaturas convexas y cóncavas de las superficies de presión y de succión del perfil aerodinámico por la dislocación rotatoria de las secciones del perfil aerodinámico sobre el borde de tracción recto, caracterizado porque la anchura axial (w) del perfil aerodinámico es substancialmente constante substancialmente sobre toda la altura radial del perfil aerodinámico y la línea de acorde en las secciones de perfil aerodinámico a altura media (44) son más cortas que las líneas del acorde en secciones de perfil aerodinámico en la plataforma o en regiones del extremo.
Description
Perfil aerodinámico para una turbomáquina de
flujo axial.
La invención se relaciona con las formas
mejoradas del perfil aerodinámico para suuso como paletas de estator
o láminas de rotor en las turbinas de turbomáquinas de flujo axial,
tales como motores de turbina de gas.
Las turbomáquinas se utilizan para agregar
energía a un fluido de trabajo y/o para extraer energía de él. Por
consiguiente, pueden abarcar los compresores y/o las turbinas. Por
ejemplo, los motores de turbina de gas abarcan típicamente tres
secciones principales; una sección del compresor, una sección de
combustión y una sección de la turbina. El aire de la atmósfera se
conduce al interior y es comprimido por el compresor. Entonces es
pasado a la sección de combustión en donde se agrega el combustible
y se enciende la mezcla para crear un líquido de funcionamiento
energizado bajo la forma de gas caliente presurizado. El fluido de
trabajo pasa de la sección de combustión a la sección de la turbina
en donde su energía es extraída por las láminas de la turbina y
utilizada para dar vuelta al compresor a través de un eje de la
turbina y para hacer el trabajo adicional. Eventualmente el gas de
trabajo, ahora a temperatura y presión muy reducidas, se descarga a
la atmósfera vía un sistema de conducto de escape.
En la presente invención, los medios usados para
convertir la energía del líquido de trabajo de la turbina en energía
rotatoria del eje son un sistema de perfiles aerodinámicos que
abarcan las láminas de rotor y las paletas de estator de flujo
axial. Las láminas de rotor y las paletas de estator están
dispuestas como un cierto número de filas anulares axialmente
sucesivas, para interceptar el líquido de trabajo. Cada lámina de
rotor se une a un disco o a un tambor de rotor de turbina mediante
una porción de la raíz de la lámina, estando montado el disco o el
tambor en un eje de rotor, la línea central longitudinal de el cual
define el eje rotatorio de la turbina. Las paletas de estator están
fijas, e.g., a un armazón de turbina de circunscripción o a un
tambor estático interno, y las filas de las paletas y las cuchillas
se alternan una con otra para aparear cada fila de cuchillas con una
fila precedente de las paletas del estator. Cada tal par de filas
colectivamente se denomina una etapa y una turbina comprenderá por
lo menos una etapa.
Mientras que la función de las filas de la
cuchilla del rotor es extraer energía del líquido de trabajo y
transferirla a un disco de rotor de turbina o al tambor y por lo
tanto al eje, la función de las paletas del estator es suavizar el
flujo del líquido de trabajo y después dirigirlo a un ángulo óptimo
de salida de las cuchillas del rotor para poder alcanzar la
transferencia de energía eficiente para dar vuelta al rotor. La
eficacia con la cual las láminas y las paletas realizan su función
es de importancia vital en la determinación de la eficiencia de la
etapa.
En el campo del motor de la turbina de gas, los
perfiles aerodinámicos de las paletas de la turbina y las láminas
tienen tipos genéricos respectivos de perfil seccionado
transversalmente y pueden llevar una semejanza visual fuerte una a
otra, a pesar de que las diferencias de la escala dependen
generalmente del tamaño del motor. Sin embargo, en la inspección de
lo hallado aquí se encuentran diferencias mensurables de los
perfiles del perfil aerodinámico no sólo entre los motores de
diferente fabricación y tipo sino también entre las etapas de la
turbina del mismo motor. Además, tales diferencias pueden tener
efectos significativos en eficiencia de la turbina. Similarmente,
hay diferencias en otros aspectos del diseño de la etapa de la
turbina que solamente o en la combinación también tengan un efecto.
Las diferencias pequeñas en tales características del diseño, que
pueden aparecer mínimas o poco importantes a aquellos inexpertos en
el arte, pueden de hecho tener un efecto significativo en el
funcionamiento de la etapa de la turbina.
Por lo tanto, las formas geométricas de la paleta
y de la cuchilla, sus relaciones posicionales de la una con la otra
y también la corriente del fluido de trabajo, tienen un efecto en la
eficiencia de la turbina y así en la eficiencia global de la
turbomáquina. En el estado conocido del arte de los motores de
turbina de gas, la eficiencia de la etapa de la turbina está
actualmente en la región del 90% y a tan alta eficiencia ahora es
mirada como muy difícil de mejorar aun en niveles del 1%. No
obstante, es un objeto de la presente invención aumentar la
eficiencia de la etapa de la turbina en una cantidad
significativa.
En parte, la presente invención incorpora y
mejora sobre enseñanzas anteriores por lo que se refiere al supuesto
principios de "Flujo Controlado" del presente inventor y de
otros. Particularmente, véanse los documentos de la patente EP 0 704
602 A "Cuchilla de turbina" y GB 2 295 860 B "Cuchilla de
turbina", dirigidos particularmente a las turbinas de vapor.
Otras patentes que demuestran principios similares incluyen las US
5,326,221 Amyot y otros. (para las turbinas de vapor) y US 4,741,667
Price y otros. (para las turbinas de gas).
Para los propósitos de la actual invención, será
entendido que el término "paleta" se refiere a las láminas de
estator que preceden las láminas de rotor en las turbomáquinas,
incluyendo las así llamadas "paletas de guía del inyector" en
los motores de turbina de gas, que funcionan para dirigir los gases
calientes del combustor sobre la primera etapa de las cuchillas del
rotor de turbina. También, cuando la palabra "cuchilla" se
utiliza sin la calificación de las palabras "estator" o
"rotor", debe ser entendido como "cuchilla del rotor".
La extremidad más interna radialmente de las
porciones del perfil aerodinámico de las cuchillas y de las paletas
de flujo axial serán llamadas "región de la plataforma" (aun
cuando la porción mas interna radialmente de una cuchilla de rotor
de la turbina de gas generalmente se llama una "raíz"), y las
extremidades mas externas radialmente de sus porciones del perfil
aerodinámico serán llamadas su "región de la extremidad" (a
pesar de que las cuchillas y las paletas pueden tener radialmente
cubiertas externas.
La superficie de "presión" de una forma de
la sección de perfil aerodinámico es su lado cóncavo y la superficie
de "succión" es su lado convexo.
Un perfil aerodinámico "prismático" es
diseñado de tal forma que las secciones de perfil aerodinámico
teóricas de la cuchilla o de la paleta, cada una considerada
ortogonal a una línea radial del eje de la turbina, tiene la misma
forma de la región de la plataforma del perfil aerodinámico al
perfil aerodinámico de la región externa, no se sesga, es decir,
tiene el mismo ángulo de acomodación de la región de la plataforma
de la región de la extremidad, y están "apiladas" una encima de
la otra de modo que sus bordes principales y sus bordes de fuga
formen colectivamente líneas rectas en la dirección radial.
El ángulo de salida \alpha de un perfil
aerodinámico es el ángulo, relativo a la dirección circunferencial
del rotor, en que el líquido de trabajo sale de una línea de la
paleta o de la cuchilla y es derivado de la relación:
\alpha =
sin^{-1}
(T/P),
en donde T es la dimensión de la
garganta y P es la dimensión del
tiro.
La dimensión de la garganta T se define como la
línea más corta que se extiende a partir del borde normal de fuga
del perfil aerodinámico a la superficie de succión del perfil
aerodinámico adyacente en la misma línea, mientras que la dimensión
P de tiro es la distancia circunferencial de un borde de fuga del
perfil aerodinámico al borde de fuga del perfil aerodinámico
adyacente en la misma línea a una distancia radial especificada de
la región de la plataforma del perfil aerodinámico.
El ángulo de fijación \beta es el ángulo con el
cual cualquier sección particular del perfil aerodinámico en una
estación a lo largo de la altura o el palmo 20 del perfil
aerodinámico se desplaza en su propio plano de un dato cero
predeterminado. El dato se puede, por ejemplo, tomar como donde la
sección de perfil aerodinámico hace que iguales "escalonen
ángulo", es decir la misma orientación concerniente al eje de la
turbina, como perfil aerodinámico prismático conocido en una turbina
conocida que utiliza tales perfiles aerodinámicos.
La "línea del acorde" es la línea más corta
tangente a los radios de los bordes de conducción y tracción de una
sección de perfil aerodinámico. La "línea del acorde" es la
distancia la "longitud del acorde" entre dos líneas normales a
la línea del acorde y a pasar a través de los puntos donde la línea
del acorde toca los bordes de conducción y tracción,
respectivamente.
La "anchura axial" de un perfil aerodinámico
es la distancia axial entre sus bordes de conducción y tracción, es
decir, la distancia entre sus bordes de conducción y tracción según
lo medido a lo largo del eje rotatorio de la turbina.
Según un primer aspecto de la actual invención,
una paleta de estator de la turbina se usa en un anillo de las
paletas similares dispuestas en una turbina de flujo axial que tiene
una trayectoria anular para un líquido de funcionamiento de la
turbina, abarcando la paleta un perfil aerodinámico que atraviesa la
trayectoria anular y teniendo una región radialmente interna de la
plataforma, una región radialmente externa de la extremidad
axialmente borde y un borde de tracción axialmente postrero,
teniendo el perfil aerodinámico una superficie de presión y una
superficie de la succión que son respectivamente convexos y cóncavos
entre la región de la plataforma y la región de la extremidad, en un
plano que se extiende radialmente de la trayectoria anular y
transversalmente de la dirección axial, siendo el borde de tracción
del perfil aerodinámico recto desde la región de la plataforma a la
región de la extremidad y orientado radialmente desde la trayectoria
anular, y siendo alcanzadas las curvaturas convexas y cóncavas
dichas de las superficies de la presión y de la succión del perfil
aerodinámico, por la dislocación rotatoria de las secciones de
perfil aerodinámico sobre el borde de tracción recto, excediendo la
anchura axial del perfil aerodinámico, substancialmente constante en
toda la altura de la parte radial del perfil aerodinámico y la línea
del acorde en las secciones de perfil aerodinámico a altura media,
que son más cortas que las líneas del acorde en secciones de perfil
aerodinámico en las regiones de la plataforma o de la
extremidad.
En el contexto de un motor de la turbina de gas,
la invención en su primer aspecto se puede aplicar a los perfiles
aerodinámicos de las paletas de guía del inyector en las primeras o
en la etapa de alta presión de la turbina, pero también a las
paletas de estator de etapas que tienen éxito. Puesto que la línea
del acorde en las secciones de perfil aerodinámico a altura media es
más corta que el acorde alinea en secciones de perfil aerodinámico,
tanto en la plataforma como en las regiones de la extremidad, el
perfil aerodinámico exhibe un aspecto magro del "compuesto
supuesto" cuando están vistas en su borde, en las cuales el
perfil aerodinámico se sesga en la misma dirección circunferencial
en ambas extremidades radiales.
De acuerdo con un segundo aspecto de la
invención, si el perfil aerodinámico es el de una paleta de guía del
inyector en la entrada a una turbina de gas, el perfil aerodinámico
se coloca preferiblemente en lo referente a la longitud axial de la
turbina de tal forma que el borde de tracción del perfil
aerodinámico está en una parte divergente del paso del flujo del
gas, por el que el borde de tracción del perfil aerodinámico es
substancialmente más largo que su bordes.
En el caso de un perfil aerodinámico de la paleta
de guía del inyector, la plataforma del perfil aerodinámico y los
ángulos del conector de la extremidad son preferiblemente
substancialmente del mismo valor, por ejemplo, no más que cerca de
10 grados, preferiblemente en el intervalo 8-10
grados. El ángulo del conector del perfil aerodinámico en a altura
media del perfil aerodinámico puede estar en el rango de
13-16 grados, preferiblemente aproximadamente 14
grados.
Convenientemente, el perfil aerodinámico es de
sección representativa aproximadamente constante del perfil
aerodinámico de su región desde la plataforma a su región de la
extremidad.
De acuerdo con otro aspecto más de la invención,
una etapa de la turbina abarca una fila de las paletas de estator
como se describe anteriormente, y una fila de las láminas de rotor
en secuencia del flujo con las paletas, en las cuales las láminas
abarcan los perfiles aerodinámicos que tienen una región radialmente
interna de la plataforma, una región radialmente externa de la
extremidad, axialmente borde, y un borde de tracción axialmente
postrero, teniendo cada perfil aerodinámico de la lámina una
superficie de presión y una superficie de succión respectivamente
convexas y cóncavas entre la región de la plataforma y la región de
la extremidad en un plano que se extiende radialmente desde la
trayectoria anular y transversalmente desde la dirección axial,
siendo alcanzadas las curvaturas convexas y cóncavas dichas de las
superficies de la presión y de la succión del perfil aerodinámico,
por la dislocación rotatoria de las secciones de perfil aerodinámico
sobre una línea radial a través del perfil aerodinámico, teniendo
cada perfil aerodinámico ángulos de conector que son más pequeño
cuanto más cercanos a su plataforma y en las regiones extremas que
en su altura media.
Desde un punto de vista aerodinámico, cada perfil
aerodinámico de la lámina tiene idealmente un borde derecho de
tracción radialmente orientado, estando la dislocación rotatoria de
las secciones de perfil aerodinámico sobre el borde de tracción
recto, aunque este ideal se puede comprometer por los requisitos
dinámicos del diseño de las láminas.
Para reducir el cargamento dinámico en las
fijaciones de la raíz y la plataforma, el perfil aerodinámico de la
lámina pueden afilarse desde su región de la plataforma a su región
de la extremidad, de tal forma que su longitud del acorde se reduce
sobre la altura radial del perfil aerodinámico de la lámina, desde
un máximo en su región de la plataforma a un mínimo en su región de
la extremidad y su borde tiene una inclinación posterior en la
dirección axial.
En otro aspecto, la invención provee una etapa de
la turbina que abarca una fila de las paletas de guía del inyector
teniendo perfiles aerodinámicos como se describe anteriormente, y de
una fila de las láminas de rotor en secuencia del flujo las paletas,
en las cuales el perfil aerodinámico de la lámina, estando los
ángulos del conector de la plataforma 15 y de la extremidad en el
rango de 14-17 grados, preferiblemente cerca de 16
grados. El ángulo del conector del perfil aerodinámico de la lámina
a la altura media del perfil aerodinámico puede estar en el rango de
18-21 grados, preferiblemente cerca de 19
grados.
Se cree que la invención es aplicable si los
perfiles aerodinámicos están cubiertos o descubiertos, es decir, si
los perfiles aerodinámicos están ensamblados a una estructura que
forma una pared externa de los pasos entre los perfiles
aerodinámicos adyacentes, o si no están ensamblados así, sino libres
en sus regiones radialmente externas o extremas.
Aspectos adicionales de la invención serán
evidentes a partir de la descripción y de las reivindicaciones
siguientes.
Las modalidades como ejemplos de la invención
ahora serán descritas referentes a los dibujos acompañantes, en los
cuales:
La Figura 1 es una opinión originada en ordenador
de la perspectiva de una forma del perfil aerodinámico del arte
anterior que utiliza el principio del "flujo controlado";
La Figura 2 es un bosquejo de un perfil
aerodinámico de la paleta de la turbina de gas del arte anterior
visto desde el extremo de la extremidad del perfil aerodinámico
hacia el extremo de la plataforma;
La Figura 3 es una vista lateral axial del perfil
aerodinámico de la paleta de la Figura 2 que demuestra su posición
en el paso de la turbina;
La Figura 4 es una visión similar a la Figura 2,
pero de un perfil aerodinámico de la paleta formado según la actual
invención;
La Figura 5 es una vista lateral axial del perfil
aerodinámico de la paleta de la Figura 4;
La Figura 6 es una visión similar a la Figura 5,
pero de una diversa modalidad de la invención;
La Figura 7 es un diagrama que demuestra las
secciones elementales correspondientes de dos perfiles aerodinámicos
adyacentes para ilustrar el concepto del ángulo del conector, que es
importante en lo referente a un aspecto de la invención;
La Figura 8 es una vista en perspectiva originada
en ordenador de un perfil aerodinámico de una paleta de guía del
inyector del motor de la turbina de gas formada de acuerdo con la
presente invención; y
La Figura 9 es una vista en perspectiva originada
en ordenador de un perfil aerodinámico de una lámina de rotor del
motor de la turbina de gas formada de acuerdo con la presente
invención.
La Figura 1, extraído de la patente GB número 2
295 860 B, a la cual se refiere al lector para otros detalles,
muestra el perfil aerodinámico de una lámina o de una paleta de
estator de la turbina de vapor el cuál se forma de acuerdo con los
principios de la invención divulgada en esa patente. El patrón de
rejilla demostrado en la superficie está originado en ordenador y
sirve para enfatizar al tamaño de la formación curvada del perfil
aerodinámico. Tiene un borde de tracción recto 25 como los perfiles
aerodinámicos previamente conocidos, pero el resto del perfil
aerodinámico, y particularmente el 24 borde, no es recto sino se
curva de una forma tales que la superficie 26 de la presión del
perfil aerodinámico es convexa entre la región 35 de la plataforma y
la región 37 de la extremidad en un plano que amplíe radialmente de
la turbina y transversalmente del sentido de chorro general del
vapor entre los perfiles aerodinámicos. Se indica un tal plano 31,
siendo obscurecida la curvatura convexa en este plano en la
superficie 26 de la presión, pero conforme a él en el borde 24.
Más específicamente, con relación a un perfil
aerodinámico prismático, las secciones de perfil aerodinámico
individuales 33 se pueden considerar como siendo rotadas en sus
propios planos sobre el borde de tracción 25 por un ángulo que fija
que sea positivo en la parte central de la altura radial, y la
negativo en las porciones de la plataforma y de la extremidad. El
"positivo" se toma para ser una rotación hacia la presión de la
superficie 26 y la "negativa" se toma para ser una rotación
hacia la superficie 27 de la succión.
En la Figura 1, el ángulo que fija varía de
manera parabólica desde alrededor de menos 2.5º en la plataforma y
las regiones de la extremidad al más 2.5º en el centro de la altura
radial, referido un dato de ángulo escalonado de 48.5º.
Sería hasta cierto punto aceptable sesgar las
secciones de perfil aerodinámico sobre un cierto eje que arrastrarse
EP 1 259 711 B1 borde 25, por ejemplo una línea radial con un 24 o
ciertos ejes intermedios borde. Sin embargo, la opción del borde de
tracción pues el eje sobre el cual se rotan las secciones de perfil
aerodinámico tiene varias ventajas. Guarda el boquete crítico del
interspace entre las paletas fijas y las láminas de rotor en sentido
descendente constante. Este boquete tiene una influencia importante
sobre las fuerzas aerodinámicas inestables en la lámina móvil y
también en la eficacia de la etapa vía crecimiento de la capa de
límite en las paredes radialmente internas y externas del paso de la
turbina (llamadas las "paredes de extremo"). En segundo lugar,
construyendo la curvatura en el borde un efecto magro del
"compuesto" es incorporado en gran parte en el área del borde
del perfil aerodinámico donde se generan los flujos secundarios.
Estos flujos secundarios abarcan los vórtices paralelamente al flujo
principal, los vórtices que están cerca de las paredes de extremo
entre las láminas fijas adyacentes. Por el uso del perfil
aerodinámico curvado compuesto de la Figura 1, sobre la mitad más
baja interna de la altura del perfil aerodinámico que la superficie
de la presión señala radialmente hacia adentro, y el excedente la
mitad externa de 10 la altura del perfil aerodinámico, la superficie
de la presión señala radialmente hacia fuera. Las fuerzas del cuerpo
ejercidas en el flujo son contrarrestadas por presiones estáticas
más altas en las paredes de extremo. Esto da lugar a velocidades más
bajas cerca de las paredes de extremo y por lo tanto a pérdidas
friccionales más bajas.
Las figs. 2 y 3 muestran una paleta de la turbina
de gas del arte anterior de las cuales perfil aerodinámico 1 se
diseña en principios similares al de la Figura 1. La línea
discontinua 2 representa la línea central axial de la turbina, 7 y 8
son radialmente la definición interna y externa de las paredes, 15
es el paso de líquido de funcionamiento de la turbina, 4 representa
los bordes en la región a altura media de la paleta, 5 y 6 son
plataforma regiones inclinadas respectivamente, la flecha D indica
que la dirección total del flujo del líquido de funcionamiento y el
ángulo de alineación L marcado con el eje 2, representa el dato
prismático del perfil aerodinámico en ángulo escalonado. Como en la
Figura 1, las secciones de perfil aerodinámico de la paleta se
apilan sobre un borde de tracción recto, radialmente orientado 3 y
se rotan o "se sesgan" hacia la posición cerrada en la
plataforma y la extremidad bordes, es decir en la plataforma borde e
inclinan el ángulo fijando su valor negativo más grande -\beta con
relación a la línea L del dato, y la dimensión T de la garganta
(véase la Figura 7) está en un mínimo. Para mayor claridad, la
Figura 2 muestra una posición oblicua exagerada de la plataforma y
de la extremidad. Sin embargo, en la altura media del perfil
aerodinámico, el ángulo fijo está en su valor positivo más grande
+b. Así, el borde en la región a altura media de la paleta, 4, está
axialmente por delante del borde en las regiones de la plataforma y
de la extremidad, 5 y 6, en una cantidad "X". Esto significa
que auncuando las líneas del acorde de todas las secciones de perfil
aerodinámico tienen la misma longitud, la anchura axial W del perfil
aerodinámico (es decir, la distancia entre sus bordes de conducción
y tracción 4, 3 en la dirección axial), 25 varía en X sobre la
altura radial del perfil aerodinámico.
Con referencia ahora a las figs. 4, 5 y 8, las
visualizaciones en las figs. 4 y 5 son similares a las figs. 2 y 3,
pero de un perfil aerodinámico de la paleta 41 de acuerdo con la
presente invención, que se basa en una modificación del principio
controlado del flujo. La Figura 8 es una vista en perspectiva del
borde de tracción del perfil aerodinámico 41, el perfil aerodinámico
que superpuesto por una rejilla originada en ordenador, como en la
Figura 1. Los coordenadas para la rejilla originada en ordenador se
indican como X, Y y Z, X que es la dirección axial y30 Z que es la
dirección radial. Como en la Figura, el borde de tracción 43 se
orienta radialmente y recto, y la cara 47 de la presión del perfil
aerodinámico es convexa entre la plataforma 45 y la extremidad 46 en
un plano 48 que se extiende radialmente desde la turbina y
transversalmente desde la línea central axial 2, alcanzando la
dislocación rotatoria de las secciones de perfil aerodinámico 49
sobre el borde de tracción radial. Sin embargo, puede verse en las
figs. 4 y 5 que los bordes 44 en la posición a altura media no
están delante de las regiones de la plataforma y de la extremidad,
sino que están substancialmente conforme a ellas, con respecto a la
dirección axial 35 definida por el eje 2. Puesto que el borde de
tracción 43 es recto, la anchura axial W del perfil aerodinámico de
la paleta substancialmente excede por lo tanto de forma
substancialmente constante toda la altura radial del perfil
aerodinámico, y las líneas del acorde en las secciones de perfil
aerodinámico a altura media son más cortas que las líneas del acorde
en secciones de perfil aerodinámico en la plataforma o en regiones
inclinadas. Se encuentra que la reducción de longitud del acorde en
la región a altura media tiene de esta manera el efecto ventajoso de
disminuir las pérdidas aerodinámicas del perfil, sin afectar
indebidamente el funcionamiento de la paleta. Se reduce porque
"mojan" área, y causan por lo tanto pérdida de la fricción.
La Figura 6 ilustra otra modalidad de la
invención, aplicable a los perfiles aerodinámicos de primer nivel 61
de la paleta en la entrada a una turbina. Como en las figs. 4, 5 y
8, la cara de la presión del perfil aerodinámico es convexa entre la
plataforma 65 y la extremidad 66, los bordes 64 en la posición a
altura media están substancialmente axialmente conformes a las
regiones de la plataforma y de la extremidad, y el borde de tracción
radialmente orientado 63 es recto. Sin embargo, se ha encontrado
ventajoso colocar el perfil aerodinámico 61 con respecto a la
longitud axial de la turbina, tal que su borde de tracción 63 esté
en una parte divergente del paso del flujo del gas, causando que tal
borde de tracción 63 sea substancialmente más largo que los bordes
64. Aunque esto es normal para la turbina en segundo lugar y las
etapas subsecuentes, no es normal para un primer nivel.
Generalmente, según las indicaciones de la Figura 5, las paletas de
primera planta tienen la longitud más larga que, o substancialmente
la misma del borde de tracción.
Claramente, el apilar las secciones de perfil
aerodinámico de la paleta según lo descrito con respecto a las figs.
4 a 6 y 8, de modo que tengan ángulos más pequeños del conector en
la plataforma regiones inclinadas que en la altura media, puede
crear problemas de la incidencia del flujo sobre la fila de la
lámina de rotor que funciona exitosamente, y es por lo tanto
necesario aplicar principios controlados similares del flujo, a los
perfiles aerodinámicos de la lámina de rotor. Por lo tanto, la
Figura 9 es una vista en perspectiva similar a la Figura 8, pero de
un perfil aerodinámico de alta presión de la lámina de rotor de
turbina 90 situada axialmente adyacente a, e inmediatamente
corriente abajo del perfil aerodinámico de la paleta de la Figura 8,
es decir, junto con el perfil aerodinámico 41, el perfil
aerodinámico 90 de la paleta de la lámina abarca el de primera
planta de una turbina de gas. De la misma forma, el perfil
aerodinámico 41 de la paleta tiene un borde de tracción recto 91
orientado en la dirección radial. Con referencia otra vez a un plano
95 que se extiende radialmente 55 de la turbina y transversalmente
del eje rotatorio de la turbina, la superficie 92 de la presión es
convexa entre la región 93 de la plataforma, y la región 94 de la
extremidad y la superficie 96 de la succión son cóncavas. Como
antes, las formas convexas y cóncavas a lo largo de la envergadura
de las superficies de la presión y de la succión respectivamente son
alcanzadas por la dislocación rotatoria de las secciones de perfil
aerodinámico 97 sobre el borde de tracción 91. Además, en virtud de
las formas radialmente convexas y cóncavas de la presión y la
succión emergentes 92 y 96, el perfil aerodinámico 90 de la lámina
en su totalidad se sesga hacia la posición de "garganta"
cerrada en las regiones de la extremidad y de la plataforma, siendo
sus ángulos del conector otra vez más pequeños en las regiones de la
plataforma y de la extremidad que en la altura media.
A pesar de estas semejanzas, el perfil
aerodinámico 90 de la lámina de rotor tiene un aspecto algo diverso
del perfil aerodinámico 41 de la paleta de guía del inyector y
particularmente los bordes 98 del perfil aerodinámico 90 de la
lámina tienen un aspecto diverso del borde conductor 44 del perfil
aerodinámico 41 de la paleta. A diferencia del perfil aerodinámico
41 de la paleta, el perfil aerodinámico 90 de la lámina se agudiza
desde la plataforma para inclinarse, es decir, su anchura axial, y
por lo tanto su longitud del acorde, se reduce sobre la altura
radial del perfil aerodinámico desde un máximo en la región 93 de la
plataforma hasta un mínimo en la región 94 de la extremidad. Tal
agudización del perfil aerodinámico de la lámina en la dirección
radial está pensada para reducir las tensiones centrífugas
inducidas, experimentadas en la región de la plataforma y en las
fijaciones de la raíz de la lámina durante la operación de la
turbina de gas, porque la masa de la porción radialmente externa del
perfil aerodinámico de la lámina se reduce. Dado que el perfil
aerodinámico10 tiene un borde derecho de tracción radialmente
orientado 91, su reducción en anchura axial con distancia radial de
la región de la plataforma significa que sus bordes 98 tienen una
inclinación posterior en la dirección axial, y esto se muestra en la
Figura 9.
Nótese que en caso de necesidad para la reducción
de las tensiones de flexión excéntricas generadas durante la
rotación de la lámina, la presión y las superficies radialmente
convexas y cóncavas de la succión, respectivamente del perfil
aerodinámico de la lámina, pueden ser alcanzadas alternativamente
rotando las secciones de perfil aerodinámico sobre una línea radial
con excepción de una línea radial, diferente al borde de tracción,
esto es, una línea a través del centro de figura del perfil
aerodinámico prismático teórico. Esto daría lugar a un borde de
tracción curvado.
Con respecto al perfil aerodinámico de la paleta
que fija ángulos y por tanto los ángulos de salida, la Figura 7
muestra las secciones elementales correspondientes de dos perfiles
aerodinámicos adyacentes de la paleta para ilustrar el ángulo a del
conector, T que es la dimensión de la garganta y el P que
constituyen la declinación de la lámina. Típicamente, los perfiles
aerodinámicos de la paleta se diseñan con fijación de los ángulos
(concernientes a la dirección axial) que dan lugar a ángulos más
grandes del conector en la región de la extremidad que en la región
de la plataforma. Sin embargo, se encuentra ventajoso en la actual
invención tener ángulos del conector de la plataforma y de la
extremidad del perfil aerodinámico de 20 paletas substancialmente
del mismo valor. También, es sorprendente que estos ángulos del
conector, siendo no más que cerca de 10 grados y preferiblemente en
el intervalo de 8-10 grados, son menos de lo que se
sugiere en turbinas de gas conocidas. Semejantemente, el ángulo del
conector en una región a altura media para un perfil aerodinámico de
la paleta de acuerdo con la invención es en el intervalo
13-16 grados, o aproximadamente 14 grados, y éste es
menos que pudo esperar para "los diseños controlados del "del
flujo en un motor de la turbina de gas. Esta variación en el ángulo
\alpha del conector sobre la altura radial del perfil aerodinámico
no es fácilmente evidente a partir de la perspectiva de la Figura 8,
pero se puede apreciar fácilmente por la referencia a la Figura
4.
Según lo indicado, las paletas y las filas de la
lámina cooperan como pareja de la etapa. Por lo tanto, entre otras
cosas, los ángulos del perfil aerodinámico de la paleta y de la
lámina se deben emparejar para mejor eficacia. Se encuentra que son
los ángulos convenientes del conector para los perfiles
aerodinámicos de la lámina en una etapa de la turbina según la
invención son
plataforma y extremidad del perfil aerodinámico
de láminas; \alpha en el rango de 14-17º,
preferiblemente \alpha\approx16º
perfil aerodinámico de la lámina en a altura
media; \alpha en el rango de 18-21º,
preferiblemente \alpha\approx19º.
El proceso del diseño para los perfiles
controlados de la paleta y de la lámina del flujo considera
primeramente las paletas y en segundo lugar las láminas, cada uno
por separado, luego finalmente juntas, mientras que es un par que se
empareja para alcanzar el mejor funcionamiento total de la etapa,
siendo diseñadas generalmente con un proceso iterativo con las
entradas físicamente o matemáticamente de las pautas definidas del
diseño y experiencia intuitiva, todos condicionado por los
requisitos para la fuerza razonable del perfil aerodinámico, las
características de la vibración, la comodidad de los pasos internos
que se reinician, etc. en la actual invención donde la longitud
acorde reducida en altura media es otra complicación que afecta el
detalle de las formas del perfil. Cada fabricante del motor de la
turbina de gas tendrá en la práctica sus propias reglas del diseño y
colocará generalmente las formas de perfil dentro de esas reglas. Es
una característica de la presente invención que un sistema
particularmente eficaz de perfiles de la sección de perfil
aerodinámico (de la plataforma a inclinar) es alcanzado adhiriendo a
coordenadas X-Y, dentro de ciertos límites
dimensionales de la variación de X y de Y, según lo colocado abajo
en las tablas 1 a 3 (para la región de altura media, y de la
extremidad de la plataforma del perfil aerodinámico de la paleta
respectivamente) y las tablas 4 a 6 (para la plataforma del perfil
aerodinámico de la lámina, a altura media y la extremidad
respectivamente). Los límites dimensionales de la variación
mencionados están más o menos el 5% de la longitud acorde, esto es,.
para un acorde de 30 m, las dimensiones de X y de Y puede variar por
más o menos 1.5 milímetros.
Para los propósitos del escalamiento, las
coordenadas X-Y de las tablas 1 a 6 se pueden
multiplicar por un número o un factor de posicionamiento
predeterminado para alcanzar un funcionamiento aerodinámico similar
de paletas y de láminas más grandes o más pequeñas. Será conocido
por los expertos en la materia que el escalamiento linear simple de
paletas y de láminas no indica el escalamiento linear similar de,
por ejemplo, la energía del motor (que, en la comparación, se escala
al cuadrado). Sin embargo, con el escalamiento apropiado, las formas
y los ángulos de perfil de la sección de perfil aerodinámico
descritos en las Tablas se pueden utilizar para cualquier tamaño de
motor de turbina de gas.
Adicionalmente, debe observarse que la invención
no está limitada a las formas y a los ángulos particulares de perfil
de la sección de perfil aerodinámico descritos en las tablas.
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(Tabla pasa a página
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Claims (16)
1. Una paleta de estator de la turbina (41)
para el uso en un anillo de paletas similares dispuesto en una
turbina de flujo axial que tiene una trayectoria anular para un
fluido de funcionamiento de la turbina, comprendiendo la paleta un
perfil aerodinámico que atraviesa la trayectoria anular y teniendo
una región radialmente interna de la plataforma (45), una región
radialmente externa de la extremidad (46), un borde remitente
axialmente (44) y un borde de tracción axialmente posterior (43),
teniendo el perfil aerodinámico una superficie de presión (47) y una
superficie de succión (42) que son respectivamente convexas y
cóncavas entre la región de la plataforma (45) y la región de la
extremidad (46) en un plano (48) que se extiende radialmente desde
la trayectoria anular y transversalmente desde la dirección axial,
siendo recto el borde de tracción (43) del perfil aerodinámico de la
región desde la plataforma hasta la región de la extremidad y
orientado radialmente desde la trayectoria anular, y siendo
alcanzadas dichas curvaturas convexas y cóncavas de las superficies
de presión y de succión del perfil aerodinámico por la dislocación
rotatoria de las secciones del perfil aerodinámico sobre el borde de
tracción recto, caracterizado porque la anchura axial (w) del
perfil aerodinámico es substancialmente constante substancialmente
sobre toda la altura radial del perfil aerodinámico y la línea de
acorde en las secciones de perfil aerodinámico a altura media (44)
son más cortas que las líneas del acorde en secciones de perfil
aerodinámico en la plataforma o en regiones del extremo.
2. Una paleta de estator de la turbina según
la reivindicación 1, que comprende un perfil aerodinámico de la
paleta de guía del inyector.
3. Una paleta de estator de la turbina según
la reivindicación 1 o reivindicación 2, teniendo el perfil
aerodinámico la plataforma y del conector de la extremidad ángulos
sustancialmente del mismo valor.
4. Una paleta de estator de la turbina según
cualquier reivindicación precedente, siendo los ángulos del conector
del perfil aerodinámico en la plataforma y las regiones de la
extremidad no mayores de aproximadamente 10 grados.
5. Una paleta de estator de la turbina según
la reivindicación 4, estando los ángulos del conector del perfil
aerodinámico en la plataforma y en las regiones del extremo en el
intervalo de 8-10 grados.
6. Una paleta de estator de la turbina según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, estando el ángulo del
conector del perfil aerodinámico a altura media del perfil
aerodinámico en el intervalo 13-16 grados.
7. Una paleta de estator de la turbina según
la reivindicación 6, siendo el ángulo del conector del perfil
aerodinámico a altura media del perfil aerodinámico de
aproximadamente14 grados.
8. Una paleta de estator de la turbina según
cualquier reivindicación precedente, siendo el perfil aerodinámico
de la sección representativa aproximadamente constante desde el
perfil aerodinámico de su región de la plataforma hasta su región
del extremo.
9. Una turbina que incluye las paletas de guía
del inyector según la reivindicación 2, en la cual se colocan los
perfiles aerodinámicos de la paleta de guía del inyector 55 con
respecto a la longitud axial de la turbina, de tal manera que el
borde de tracción de los perfiles aerodinámicos está en una parte
divergente del paso del flujo del gas, por el que los bordes de
tracción de los perfiles aerodinámicos son substancialmente más
largos que sus bordes principales.
10. Una etapa de la turbina que abarca una fila
de las paletas de estator de acuerdo con cualquier de las
reivindicaciones 1 a 8, y una fila las láminas del rotor en
secuencia del flujo con las paletas, en la cual las láminas abarcan
los perfiles aerodinámicos que tienen una región radialmente interna
de la plataforma (93), una región radialmente externa de la
extremidad (94), adelante axialmente del borde (98) y un borde de
tracción axialmente posterior (91), teniendo cada perfil
aerodinámico de la lámina una superficie de presión (92) y una
superficie de succión (96) respectivamente convexas y cóncavas entre
la región de la plataforma (93) y la región de la extremidad (94) en
un plano (95) que amplía ambos radialmente desde la trayectoria
anular y transversalmente desde la dirección axial, de las dichas
curvaturas convexas y cóncavas de las superficies de presión y de
succión del perfil aerodinámico, que son alcanzadas por la
dislocación rotatoria de las secciones de perfil aerodinámico sobre
una línea radial a través del perfil aerodinámico, teniendo cada
perfil aerodinámico ángulos del conector que son más pequeños cerca
de su plataforma y de las regiones del extremo que a altura
media.
11. Una etapa de la turbina según la
reivindicación 10, teniendo los perfiles aerodinámicos de cada
lámina un borde derecho de tracción radialmente orientado y estando
la dislocación rotatoria de las secciones de perfil aerodinámico
sobre el borde de tracción recto.
12. Una etapa de la turbina según la
reivindicación 10 o la reivindicación11, en la cual cada perfil
aerodinámico de la lámina se aguza desde su región de la plataforma
hasta su región del extremo, tal que su longitud de acorde se reduce
a lo largo de la altura radial del perfil aerodinámico de la lámina,
desde un máximo en su región de plataformas hasta un mínimo en su
región del extremo, y teniendo su borde una inclinación posterior en
la dirección
axial.
axial.
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13. Una etapa de la turbina que comprende una
fila de las paletas de estator, de acuerdo con de las
reivindicaciones 1 a 8, y una fila de las láminas de rotor en
secuencia del flujo con las paletas, en las cuales la plataforma y
la extremidad del perfil aerodinámico de la lámina están en ángulos
en el intervalo de 14-17 grados.
14. Una etapa de la turbina según la
reivindicación13, en la cual la plataforma y la extremidad del
perfil aerodinámico de la lámina están en un ángulo de cerca de 16
grados.
15. Una etapa de la turbina según la
reivindicación 13 o la reivindicación14, en las cuales el ángulo
entre del perfil aerodinámico de la lámina a la altura media del
perfil aerodinámico 25 está en el intervalo de 18-21
grados.
16. Una etapa de la turbina según la
reivindicación15, en la cual el ángulo del conector del perfil
aerodinámico de la lámina en la altura media del perfil aerodinámico
es de aproximadamente 19 grados.
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