ES2283954T3 - Alabe en flecha para turborreactor. - Google Patents

Abstract

Alabe rotatorio de turborreactor destinado a estar sometido a un flujo de gas longitudinal, comprendiendo dicho álabe (2) una pluralidad de secciones de álabe que se extienden a lo largo de una línea (15) de centros de gravedad de dichas secciones de álabe, entre un pie (16) y una corona (18) de dicho álabe, estando delimitado dicho álabe, longitudinalmente, entre un borde (20) de ataque y un borde (22) de fuga, presentando dicho álabe, en la dirección de un eje radial (Z-Z), una parte inferior (24), una parte intermedia (26) y una parte superior (28), extendiéndose dicha parte inferior, radialmente, desde dicho pie (16) de álabe hasta un límite inferior (30) de dicha parte intermedia, y extendiéndose dicha parte superior, radialmente, desde un límite superior (32) de dicha parte intermedia hasta dicha corona (18) de álabe, presentando dicha parte inferior (24) una primera inclinación longitudinal (alfa) de una línea (33) del borde de ataque, presentando dicha parte intermedia (26) una segunda inclinación longitudinal (beta), en dirección al borde (22) de fuga del álabe, de dicha línea del borde de ataque, y presentando dicha parte superior (26) una tercera inclinación longitudinal (gamma), en dirección al borde de fuga del álabe, de dicha línea del borde de ataque, caracterizado porque la parte superior (26) del álabe presenta, además, una inclinación tangencial (d), en dirección al extradós del álabe, de dicha línea (15) de centros de gravedad de las secciones de álabe.

Description

Álabe en flecha para turborreactor.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere al campo general de los álabes, en flecha, para turborreactor. Se refiere, más concretamente, a la geometría de los álabes del ventilador o de los compresores de un turborre actor.

Un turborreactor está provisto, en particular, de un ventilador, seguido, en el sentido de la circulación del gas que atraviese el turborreactor, de un compresor de múltiples etapas. El ventilador y el compresor son elementos del turborreactor atravesados por el flujo de gas. Se componen, cada uno, de una serie de álabes móviles separados, circunferencialmente, entre sí con el fin de definir pasos para el flujo de gas. Los álabes de estos elementos se someten a velocidades de rotación que pueden producir velocidades subsónicas y supersónicas en el flujo de gas que atraviese estos elementos del turborreactor. Pero, aunque las velocidades de circulación elevadas permiten, en particular, mejorar el caudal de gas con el fin de aumentar el empuje del turborreactor, presentan el inconveniente de generar un ruido considerable. En especial, el "choque supersónico" que corresponde al paso de velocidades supersónicas a subsónicas del flujo de gas contribuye de modo importante a este ruido. Otros fenómenos de interacción que impliquen la turbulencia del flujo de gas junto al ventilador (ruido de banda ancha) constituyen, también, fuentes de ruido en el ventilador.

En consecuencia, los constructores de motores tratan de fabricar álabes de ventilador y de compresor que permitan aumentar el empuje del turborreactor y minimizar el ruido generado por el flujo de gas que los atraviese. Además, durante la fabricación de estos álabes tienen que tenerse en cuenta otros parámetros distintos, como la aerodinámica y la mecánica de los mismos. En efecto, los álabes tienen que preverse de manera que optimicen el caudal y la compresión del flujo de gas que los atraviese, garantizándoles, al mismo tiempo, un comportamiento mecánico bueno. A velocidades de rotación elevadas, en particular, las tensiones mecánicas sufridas por los álabes son mayores, como consecuencia del nivel elevado de las vibraciones y la fuerza centrífuga que se apliquen a los álabes.

Se han propuesto numerosas geometrías de álabes de ventilador y de compresores. Se caracterizan, principalmente, por su modo de agrupamiento de secciones de álabe, su curvatura general y la presencia eventual de flechas aerodinámicas, con el fin de mejorar las prestaciones aerodinámicas y disminuir el ruido generado por el ventilador y los compresores del turborreactor. Se hace referencia, por ejemplo, al documento EP 0 774 567 A1. Pero, ninguno de estos álabes permite conseguir un funcionamiento aerodinámico eficaz en todas las condiciones de utilización del turborreactor, en particular, a régimen alto (por ejemplo, durante el despegue y al final de la subida del avión) y a régimen parcial (por ejemplo durante la fase de aproximación del avión), respetando, al mismo tiempo, las normas relativas a ruidos, que son cada vez más exigentes.

Objeto y compendio de la invención

La presente invención tiene por objeto paliar tales inconvenientes al proponer una nueva geometría de álabe de ventilador o de compresor de turborreactor que permita garantizar un funcionamiento aerodinámico óptimo en todas las condiciones de funcionamiento del turborreactor y minimizar el ruido generado. Tiene por objeto, también, un ventilador y un compresor de turborreactor que comprenden una pluralidad de estos álabes.

Con este fin, está previsto un álabe rotatorio de turborreactor tal como se define mediante la reivindicación 1.

La combinación de un "vientre alto" (definido como el punto del borde de ataque de posición longitudinal mínima, y, por tanto, situado al nivel del límite inferior de la parte intermedia del borde de ataque) con una flecha positiva desplazada en las direcciones axial y tangencial (en sentido inverso al de rotación del álabe), se traduce en un reparto radial mejorado del caudal de gas que atraviese el álabe, lo que permite aumentar el caudal a régimen alto y mejorar el rendimiento a régimen parcial. Como consecuencia de estas mejoras de rendimiento así como de estas reducciones del ángulo de incidencia se consigue una mejora de las características acústicas. De ese modo, una geometría de álabe de este tipo se beneficia, a régimen reducido, del bajo nivel acústico de un álabe recto, asociado con rendimientos elevados, y, a régimen alto, de las prestaciones elevadas, en términos de capacidad de caudal y rendimiento, de un álabe en flecha.

Ventajosamente, la posición del vientre se sitúa entre el 40% y el 75% de la altura radial del álabe, desde su pie a su corona.

De preferencia, la inclinación longitudinal de la línea del borde de ataque de la parte inferior está comprendida entre -5º y 15º, en relación con el eje radial del turborreactor. Esta limitación del ángulo de contacto entre el pie del álabe y la vena interior de circulación del flujo de gas permite limitar las tensiones mecánicas que se ejerzan sobre el álabe. Además, la parte inferior del álabe puede presentar, también, una inclinación tangencial de la línea de centros de gravedad de las secciones de álabe. Ventajosamente, esta inclinación tangencial está comprendida entre -5º y 15º, en relación con el eje radial del turborreactor.

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Igualmente, la inclinación longitudinal hacia atrás de la línea del borde de ataque de la parte intermedia está comprendida, de preferencia, entre 5º y 20º, en relación con el eje radial del turborreactor. La parte intermedia del álabe puede presentar, además, una inclinación tangencial de la línea de centros de gravedad de las secciones de álabe. Ventajosamente, esta inclinación tangencial está comprendida entre -5º y 15º, en relación con el eje radial del turborreactor.

De preferencia, la inclinación longitudinal hacia atrás de la línea del borde de ataque de la parte superior está comprendida entre 20º y 50º, y la inclinación tangencial de la línea de centros de gravedad de las secciones de álabe, en el sentido inverso al de rotación de esta misma parte superior, está comprendida entre 20º y 50º, en relación con el eje radial del turborreactor.

De acuerdo con una variante de la invención, la parte superior del borde de ataque comprende, además, una zona superior que se extiende radialmente hasta la corona del álabe, presentando la línea del borde de ataque una inclinación longitudinal hacia delante. Este basculamiento hacia delante de la zona superior de la parte superior del álabe permite equilibrar mecánicamente el álabe, pero sin afectar a su rendimiento.

Breve descripción de los dibujos

Otras características y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción hecha en lo que sigue, con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran un ejemplo de realización desprovisto de carácter limitativo alguno. En las figuras:

- la figura 1 es una vista, en corte longitudinal y parcial, de un ventilador de turborreactor provisto de álabes de acuerdo con un modo de realización de la invención;

- la figura 2 es una vista en corte por el plano II-II de la figura 1; y

- las figuras 3A y 3B son vistas, en corte longitudinal y transversal, respectivamente, del álabe de la figura 1, representado de manera esquemática, con el perfil esquemático de un álabe de la técnica anterior en línea discontinua.

Descripción detallada de un modo de realización

Las figuras 1 y 2 muestran parcialmente, de manera esquemática, en cortes longitudinal y transversal, un ventilador de turborreactor dotado de álabes de acuerdo con un modo de realización de la invención. En estas figuras, el ventilador comprende una serie de álabes 2 separados regularmente entre sí en torno a un disco o cubo 4. Cada álabe 2 está fijado, mediante un acoplamiento 6, en el disco o cubo 4, que gira en torno a un eje longitudinal X-X del turborreactor, en el sentido de rotación indicado mediante la flecha F. Cada álabe 2 comprende, también, una plataforma 8, que se extiende, parcialmente, en torno al eje longitudinal X-X. Cuando los álabes están montados en el disco o cubo 4, las plataformas 8 de álabes adyacentes se encuentran en contacto entre sí, con el fin de definir la pared interna 10 de una vena de circulación del flujo de aire 12 que atraviese el ventilador. Una pared 14 de un cárter que rodea al ventilador constituye la pared externa de la vena de circulación del flujo de aire.

En lo que sigue, se considera el eje radial Z-Z del turborreactor como el eje perpendicular al eje longitudinal X-X y que pase por el centro de gravedad del corte que resulte de la intersección del álabe con la pared interna de la vena de circulación del flujo de aire. Un eje tangencial Y-Y forma un triedro ortonormal directo con los ejes longitudinal X-X y radial Z-Z del turborreactor.

El álabe 2 ilustrado en las figuras comprende una pluralidad de secciones de álabe (no representadas) que resultan al cortar el álabe mediante planos de altura constante y perpendiculares al eje radial Z-Z. Estas secciones se extienden, a partir de la plataforma 8, en la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe. La línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe se obtiene por proyección de los centros de gravedad de cada sección de álabe en el plano definido por los ejes tangencial Y-Y y radial Z-Z. Como se muestra en la figura 3B, esta línea de centros de gravedad de las secciones de álabe es función de la altura en el eje radial Z-Z de los centros de gravedad de las secciones de álabe. Por tanto, la línea de centros de gravedad de las secciones de álabe se extiende entre un punto de altura mínima Z_{a} y un punto de altura máxima Z_{b}. El punto Z_{a} se encuentra en la intersección entre el álabe y la pared interna de la vena de circulación del flujo de aire, y su altura corresponde a la media de las alturas de los puntos del borde de ataque y del borde de fuga del álabe, en esta misma intersección. El punto Z_{b} corresponde a la altura de la última sección de álabe, comprendida, enteramente, en la vena de circulación del flujo de aire.

Además, el álabe está delimitado, radialmente, entre un pie 16 y una corona 18 de álabe, y, longitudinalmente, entre un borde 20 de ataque y un borde 22 de fuga. Por otro lado, el álabe 2 está retorcido desde su pie 16 hasta su corona 18, con el fin de cooperar con el flujo de aire 12 que atraviese el ventilador durante su funcionamiento. Refiriéndose más específicamente a las figuras 3A y 3B se observa que el álabe puede descomponerse, de manera esquemática, en una parte inferior 24, una parte intermedia 26 y una parte superior 28. La parte inferior 24 se extiende a lo largo del eje radial Z-Z del turborreactor, desde el pie 16 del álabe hasta el límite inferior 30 de la parte intermedia 26, y la parte superior 28 se extiende, radialmente, desde el límite superior 32 de la parte intermedia 26 hasta la corona 18 del álabe.

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De acuerdo con la invención, la línea 33 del borde 20 de ataque del álabe presenta una inclinación longitudinal \alpha hacia delante o atrás al nivel de la parte inferior 24 del álabe, y una inclinación longitudinal \beta hacia atrás, al nivel de la parte intermedia 26 del álabe. Además, la parte superior 28 del álabe presenta una inclinación longitudinal \gamma hacia atrás de la línea 33 de su borde de ataque y una inclinación tangencial \delta, en el sentido inverso al de rotación del álabe, de la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe.

La línea 33 del borde de ataque del álabe se define como la proyección, a radio constante, de los puntos del borde 20 de ataque del álabe en un plano meridiano definido por los ejes longitudinal X-X y radial Z-Z e ilustrado en la figura 3A. Por tanto, esta línea 33 del borde de ataque es función del radio de los puntos del borde de ataque. El radio de los puntos del borde de ataque está definido entre un punto R_{a} de radio mínimo, que corresponde a la intersección del borde 20 de ataque del álabe con la pared interna de la vena de circulación del flujo de aire, y un punto R_{b} de radio máximo, que corresponde a la intersección del borde de ataque con la pared externa de la vena de circulación.

Por inclinación longitudinal "hacia delante" de la línea 33 del borde de ataque, debe entenderse que la línea del borde 20 de ataque del álabe está inclinada en dirección a la parte de delante del ventilador, es decir, contra la entrada del flujo de aire 12 que lo atraviesa. Igualmente, por inclinación longitudinal "hacia atrás", se entiende que la línea del borde de ataque está inclinada en dirección a la parte de detrás del ventilador, es decir, en el sentido de circulación del flujo de aire 12 que lo atraviesa. Además, por inclinación "tangencial en el sentido inverso al de rotación del álabe" debe entenderse que la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe está inclinada en la dirección del eje tangencial Y-Y. Esta inclinación tangencial \delta se materializa en dirección inversa al sentido de rotación F del ventilador. Las inclinaciones \alpha, \beta \gamma y \delta se definen en relación con el eje radial Z-Z del turborreactor.

Mediante esta configuración, el borde de ataque del álabe de acuerdo con la invención presenta un punto de abcisa longitudinal mínima, denominado, también, "vientre", situado al nivel del límite inferior 30 de su parte intermedia 26. La abcisa en el eje longitudinal X-X del turborreactor se define en la dirección de circulación del flujo de aire 12. El borde de ataque del álabe de acuerdo con la invención presenta, igualmente, una flecha positiva, asociada con un desplazamiento tangencial de las secciones de álabe en el sentido inverso al de rotación del ventilador. Las figuras 2 y 3B ilustran bien esta flecha positiva asociada con su desplazamiento tangencial.

De acuerdo con una característica ventajosa de la invención, el punto R_{v} de abcisa longitudinal mínima o vientre está situado entre el 40% y el 75% de la altura radial total del álabe. Esta altura radial se mide desde el pie 16 en dirección a la corona 18 del álabe. Por definición, una altura radial mínima del 0% corresponde al punto R_{a} de intersección del borde de ataque con la pared interna de la vena de circulación del flujo de aire, y una altura radial máxima del 100% corresponde al punto R_{b} de intersección del borde de ataque con la pared externa de la vena de circulación. Como referencia, en las figuras 3A y 3B se ha representado, mediante línea discontinua, un álabe de la técnica anterior. En la figura 3A, puede observarse, en particular, que el borde de ataque de éste álabe presenta, también, un punto de abcisa longitudinal mínima. Pero este punto de abcisa mínima está situado, claramente, más abajo que el del álabe de la presente invención (a una altura radial del orden del 30%, aproximadamente).

Además, se apreciará que el límite entre la parte intermedia 26 y la parte superior 28 del álabe se calcula, por un lado, en el caso de la línea 33 del borde de ataque, dividiendo el segmento que une los puntos R_{v} y R_{b} en dos partes iguales, y por otro, en el de la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe, dividiendo el segmento que une el punto Z_{v} (cuya altura es idéntica a la del punto R_{v}) con el punto Z_{b}, también, en dos partes iguales.

De acuerdo con otra característica ventajosa de la invención, la inclinación longitudinal \alpha de la línea 33 del borde de ataque de la parte inferior 24 del álabe está comprendida entre -5º y 15º. Se apreciará que cuando esta inclinación sea negativa, corresponderá a una inclinación de la línea del borde de ataque hacia atrás, mientras que cuando sea positiva, corresponderá a una inclinación hacia delante. Esta configuración permite limitar el ángulo de contacto entre el pie 16 del álabe y la vena interior de circulación del flujo de aire. Por tanto, las tensiones mecánicas que se ejerzan sobre el álabe, al nivel de su parte inferior, son menores que en el caso de un álabe de la técnica anterior, cuyo ángulo de contacto es mayor. Además, la inclinación longitudinal \beta hacia atrás de la línea 33 del borde de ataque de la parte intermedia 26 del álabe está comprendida, de preferencia, entre 5º y 20º.

De acuerdo con todavía otra característica ventajosa de la invención, la parte superior 28 del álabe presenta una inclinación longitudinal \gamma (figura 3A) de la línea del borde de ataque hacia atrás, comprendida entre 20º y 50º, y una inclinación tangencial \delta, en el sentido inverso al de rotación del álabe (figura 3B), de la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe comprendida entre 20º y 50º, en relación con el eje radial Z-Z del turborreactor.

De acuerdo con todavía una característica ventajosa de la invención, la parte inferior 24 del álabe puede presentar, también, una inclinación tangencial \phi de la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe. Esta inclinación tangencial \phi está comprendida, de preferencia, entre -5º y 15º, en relación con el eje radial Z-Z del turborreactor. Cuando sea negativa, esta inclinación \phi se concreta en el sentido inverso al de rotación del álabe, y cuando sea positiva, en el sentido de rotación del álabe.

Además, la parte intermedia 26 del álabe puede presentar, también, una inclinación tangencial \varepsilon de la línea 15 de centros de gravedad de las secciones de álabe. Esta inclinación tangencial \varepsilon está comprendida, de preferencia entre -5º y 15º, en relación con el eje radial Z-Z del turborreactor. Cuando sea negativa, esta inclinación \varepsilon se concreta en el sentido de rotación del álabe, y cuando sea positiva, en el sentido inverso al de rotación del álabe.

Todas estas inclinaciones, \alpha, \beta, \gamma, \delta, \phi y \varepsilon corresponden a una flecha positiva muy pronunciada en las direcciones longitudinal y tangencial. La combinación de esta flecha positiva con la presencia de un vientre alto permiten, en particular, reducir en gran medida el ángulo de incidencia de los perfiles del álabe. Esta gran reducción del ángulo de incidencia se traduce, al nivel de la parte superior 28 del álabe, en particular, en un aumento sustancial del rendimiento a régimen parcial que permite mejorar el ruido de banda ancha generado por la circulación del aire que atraviese el ventilador. Además, el reparto radial del caudal de aire que atraviese el ventilador conseguido mediante el álabe de acuerdo con la presente invención permite aumentar el paso del caudal de aire en la parte superior del álabe.

Si es necesario, puede preverse, de acuerdo con una variante de la invención, un basculamiento hacia delante de las secciones de cabeza del álabe (no representado en las figuras), con el fin de mejorar el comportamiento mecánico del álabe. Las secciones de cabeza del álabe están situadas en una zona superior de la parte superior 28 del álabe, comprendida entre el 80% y el 100% de su altura radial. Por tanto, un basculamiento hacia delante de estas secciones de cabeza corresponde a una inclinación longitudinal hacia delante de la línea del borde de ataque de esta zona. Por ejemplo, esta inclinación puede estar comprendida entre 5º y 20º. El basculamiento local de estas secciones de cabeza tiene la ventaja de equilibrar el álabe al limitar las separaciones entre los centros de gravedad de las secciones del álabe pero sin afectar a las prestaciones aeroacústicas de la geometría del álabe.

El álabe tal como se ha descrito en lo que antecede forma parte del ventilador del turborreactor. Ciertamente, la presente invención se aplica, también, a los álabes de compresores de alta y baja presión del turborreactor. Además, se apreciará que las otras características geométricas del álabe (cuerda, grosor, perfil del borde de fuga, curvatura del álabe, etc.) no han sido descritas, ya que no constituyen el objeto de la presente invención.

Claims (11)

1. Álabe rotatorio de turborreactor destinado a estar sometido a un flujo de gas longitudinal, comprendiendo dicho álabe (2) una pluralidad de secciones de álabe que se extienden a lo largo de una línea (15) de centros de gravedad de dichas secciones de álabe, entre un pie (16) y una corona (18) de dicho álabe, estando delimitado dicho álabe, longitudinalmente, entre un borde (20) de ataque y un borde (22) de fuga, presentando dicho álabe, en la dirección de un eje radial (Z-Z), una parte inferior (24), una parte intermedia (26) y una parte superior (28), extendiéndose dicha parte inferior, radialmente, desde dicho pie (16) de álabe hasta un límite inferior (30) de dicha parte intermedia, y extendiéndose dicha parte superior, radialmente, desde un límite superior (32) de dicha parte intermedia hasta dicha corona (18) de álabe, presentando dicha parte inferior (24) una primera inclinación longitudinal (\alpha) de una línea (33) del borde de ataque, presentando dicha parte intermedia (26) una segunda inclinación longitudinal (\beta), en dirección al borde (22) de fuga del álabe, de dicha línea del borde de ataque, y presentando dicha parte superior (26) una tercera inclinación longitudinal (\gamma), en dirección al borde de fuga del álabe, de dicha línea del borde de ataque, caracterizado porque la parte superior (26) del álabe presenta, además, una inclinación tangencial (\delta), en dirección al extradós del álabe, de dicha línea (15) de centros de gravedad de las secciones de álabe.

2. Álabe según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho límite inferior (30) de la parte intermedia (26) del álabe se sitúa entre el 40% y el 75% de la altura radial de dicho álabe, entre su pie (16) y su corona (18).

3. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la primera inclinación longitudinal (\alpha) de la línea del borde de ataque de dicha parte inferior (24) está comprendida entre -5º y 15º, en relación con dicho eje radial (Z-Z).

4. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la segunda inclinación longitudinal (\beta) hacia atrás de la línea del borde de ataque de dicha parte intermedia (26) está comprendida entre 5º y 20º, en relación con dicho eje radial (Z-Z).

5. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la tercera inclinación longitudinal (\gamma) hacia atrás de la línea del borde de ataque de dicha parte superior (28) está comprendida entre 20º y 50º, y la inclinación tangencial (\delta) de la línea (15) de centros de gravedad de las secciones de álabe de dicha parte superior (28) está comprendida entre 20º y 50º, en relación con dicho eje radial (Z-Z).

6. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque dicha parte inferior (24) presenta, además, una inclinación tangencial (\phi) de la línea (15) de centros de gravedad de las secciones de álabe comprendida entre -5º y 15º, en relación con dicho eje radial (Z-Z).

7. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque dicha parte intermedia (26) presenta, además, una inclinación tangencial (\varepsilon) de la línea (15) de centros de gravedad de las secciones de álabe comprendida entre -5º y 15º, en relación con dicho eje radial (Z-Z).

8. Álabe según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha parte superior (28) comprende, además, una zona superior que se extiende, radialmente, hasta dicha corona (18) de álabe, presentando la línea (33) del borde de ataque una inclinación longitudinal en dirección al borde (20) de ataque del álabe.

9. Máquina rotatoria de turborreactor atravesada por un flujo de gas, caracterizada porque comprende una pluralidad de álabes según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Máquina según la reivindicación 9, caracterizada porque constituye un ventilador de turborreactor.

11. Máquina según la reivindicación 9, caracterizada porque constituye un compresor de turborreactor.