ES2310509T3 - Alabe de compresor curvado. - Google Patents

Abstract

Un álabe (12) de compresor para un disco (14) de rotor que tiene unos ejes ortogonales, axiales, tangenciales y radiales que comprende: unos lados de presión y de aspiración (18, 20) que se extienden radialmente desde la base (22) hasta la punta (24), y axialmente entre unos bordes de ataque y posterior (26, 28); unas secciones transversales que tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la sección transversal que se extienden entre dichos bordes de ataque y posterior, y unos centros de gravedad (34) alineados en un eje de apilamiento curvado (36); estando dicho lado de aspiración (20) curvado a lo largo de dicho borde posterior (28) adyacente a dicha base (22) para reducir la separación del flujo en ese punto; y un medio (36b) para limitar el barrido aerodinámico trasero de dicho álabe entre dichos bordes de ataque y posterior (26, 28); en el que dicho eje de apilamiento comprende dos componentes ortogonales que incluyen un eje de apilamiento tangencial (36a) y un eje de apilamiento axial (36b), y dicho eje de apilamiento tangencial está curvado en posición adyacente a dicha base (22) del álabe para curvar dicho lado de aspiración (20) en ese punto; y en el que dicho medio de limitación del barrido comprende la curvatura de dicho eje de apilamiento axial (36b) y la variación de las distribuciones de la cuerda de dichas secciones transversales, comprendiendo así mismo el medio de limitación del barrido: dicho borde de ataque (26) que tiene una porción exterior axialmente coplanar que incluye dicha punta (24), y una porción interior inclinada hacia delante de dicha base (22) de dicha porción exterior, y dicho borde posterior que tiene una porción interior axialmente coplanar que incluye dicha base (22) y una porción exterior inclinada hacia delante de dicha punta (24) desde dicha porción interior del borde trasero; caracterizado porque: dicho eje de apilamiento tangencial (36a) inicialmente se apoya sobre dicha base (22) hacia dicho lado de presión (18), y se apoya luego hacia atrás hacia dicho lado de aspiración (20) hacia dicha punta (24), y la combadura de dichas secciones adyacentes a dicha base varía para curvar dicho lado de aspiración en ese punto; y en el que dichas porciones exterior e interior del borde de ataque (26) oscilan entre el 40% y el 60% de la altura de la envergadura, y las porciones interior y exterior del borde trasero (28) oscilan entre el 15% y el 25% de la altura de la envergadura.

Description

Álabe de compresor curvado.

La presente invención se refiere en general al campo de los motores de turbina de combustión y, más concretamente, al campo de los compresores o ventiladores situados en su interior.

En un motor de avión de turbina de combustión con turboventilador, el aire es presurizado dentro de un ventilador y un compresor durante su funcionamiento. El aire del ventilador es utilizado para propulsar un avión en vuelo. El aire canalizado a través del compresor es mezclado con el combustible dentro de una cámara de combustión e inflamado para los gases de combustión caliente generados que fluyen a través de las etapas de la turbina que extraen la energía de aquella para energizar el ventilador y el compresor.

Un motor de turboventilador típico incluye un compresor de flujo axial de varias etapas que presuriza el aire secuncialmente para producir aire de alta presión para la combustión. Fundamental en el diseño del compresor es la eficiencia en la compresión del aire con el suficiente margen de entrada en pérdida respecto del completo dominio del vuelo desde el despegue, vuelo de crucero, y aterrizaje.

Sin embargo, la eficiencia del compresor y del margen de entrada en pérdida están normalmente relacionados inversamente con la eficiencia creciente que típicamente se corresponde con la reducción del margen de entrada en pérdida. Las exigencias contradictorias del margen de entrada en pérdida y de la eficiencia son particularmente exigentes en aplicaciones de motores militares de alto rendimiento, las cuales requieren un alto nivel de margen de entrada en pérdida en combinación con una elevada eficiencia del compresor.

La potenciación al máximo de la eficiencia de los álabes del compresor se lleva a cabo fundamentalmente mediante la optimización de las distribuciones de la velocidad respecto de los lados de presión y aspiración del álabe. Sin embargo, la eficiencia resulta típicamente limitada en el diseño de compresor convencional por la necesidad de un margen de entrada en pérdida apropiado. Cualquier incremento adicional de la eficiencia determina una reducción de pérdida de sustentación, y, al contrario, un incremento adicional del margen de entrada en pérdida se traduce en una reducción de la eficiencia.

Una alta eficiencia se obtiene típicamente reduciendo al mínimo el área superficial humidificada de los álabes para una determinada etapa para reducir en la medida correspondiente la resistencia de los álabes. Esto se consigue típicamente reduciendo la solidez de los álabes o la densidad de los álabes alrededor de la circunferencia descrita por un disco de un rotor, o mediante el incremento del coeficiente del alargamiento de los álabes con respecto a extensión de la envergadura.

Para una velocidad de rotor determinada, este incremento de la eficiencia reduce el margen de pérdida de la sustentación. Para conseguir altos niveles de margen de entrada en pérdida, puede utilizarse un nivel de solidez más alto que el óptimo, junto con el diseño de álabes con unos ángulos de incidencia por debajo de los niveles óptimos. Esto reduce la eficiencia del compresor de flujo axial.

Un margen incrementado de pérdida de sustentación puede también obtenerse mediante el incremento de la velocidad del rotor, pero esto a su vez reduce la eficiencia mediante el incremento de los números de Mach de los álabes, lo que incrementa la resistencia de los álabes.

Por consiguiente, los diseños típicos de compresor suponen necesariamente un compromiso entre la eficiencia y el margen de pérdida de sustentación favoreciendo a una en detrimento del otro.

Un álabe de compresor de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 se conoce mediante el documento EP-0 801 230 A.

Por consiguiente, se desea mejorar en mayor medida tanto la eficiencia del compresor como el margen de entrada en pérdida para mejorar el rendimiento de compresor del motor de turbina de combustión.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un álabe de compresor que incluye unos lados de presión y de aspiración que se extienden desde la raíz hasta la punta y entre los bordes de ataque e interior. Las secciones transversales tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la sección transversal. Los centros de gravedad de las secciones están alineados a lo largo de un eje de apilamiento curvado ya sea tangencialmente, axialmente, o ambos, para mejorar el rendimiento.

La invención, de acuerdo con determinadas formas de realización preferentes y ejemplares, junto con sus objetos y ventajas adicionales, se describen con mayor detenimiento en la descripción detallada subsecuente tomada en combinación con los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 es una vista isométrica de una porción de una etapa de rotor del compresor del motor de turbina de combustión que tiene unos álabes curvados que se extienden radialmente hacia fuera desde un disco del rotor integral de acuerdo con una forma de realización ejemplar de la presente invención.

La Figura 2 es una vista isométrica encarada hacia delante de uno de los álabes ilustrados en la Figura 1 y tomada genéricamente a lo largo de la línea 2-2 en un plano tangencial y radial.

La Figura 3 es una vista en alzado lateral de uno de los álabes ilustrados en la Figura 1 y tomada genéricamente a lo largo de la línea 3-3 circularmente proyectada en una plano axial y radial.

La Figura 4 es una sección transversal radial a través de una porción ejemplar del álabe ilustrado en la Figura 3 y tomada a lo largo de la línea 4-4.

En la Figura 1 se ilustra una porción de un disco con álabes 10 de un rotor anular que define una etapa de un compresor de flujo axial de varias etapas para un motor de turbina de combustión. El disco con álabes incluye una pluralidad de paletas o álabes de rotor 12 separadas en círculo que se extienden radialmente hacia fuera desde el perímetro de un disco de rotor integral 14 que constituye un montaje unitario de una sola pieza. El disco con álabes puede fabricarse utilizando un maquinado de fresadora y electroquímico convencional.

Como una alternativa, los álabes pueden estar conformados en cola de milano integrales para ser montados de manera amovible en las correspondientes ranuras en cola de milano en el perímetro del disco de rotor discreto en otra configuración convencional.

Durante su funcionamiento, el disco con álabes rota en la dirección en sentido dextrorso ejemplar ilustrada en la Figura 1 para presurizar el aire 16 a medida que fluye entre los álabes adyacentes. Los álabes están configurados con un perfil aerodinámico para potenciar al máximo la eficiencia de la compresión del aire proporcionando al tiempo un margen de entrada en pérdida adecuadamente alto para potenciar al máximo el rendimiento del compresor. El disco con álabes 10 ilustrado en la Figura 1 es solo una de las diversas etapas de los álabes de rotor que pueden configurarse de acuerdo con la presente invención para potenciar al máximo el rendimiento del compresor mediante el incremento tanto de la eficiencia como del margen de entrada en pérdida.

No obstante el compromiso convencional entre la eficiencia aerodinámica y el margen de entrada en pérdida, puede disponerse habitualmente de un software informático moderno para resolver ecuaciones de flujo laminar tridimensionales (3D) para evaluar el rendimiento de los álabes. Los álabes resultantes tienen en general unas configuraciones en 3D distintivas que difieren considerablemente de los álabes convencionales los cuales varían poco en sección radial respecto de sus envergaduras.

La Figura 1 ilustra un álabe 12 específicamente curvado no cubierto por un análisis en 3D con un rendimiento mejorado para incrementar tanto la eficiencia como el margen de entrada en pérdida lo que anteriormente no era posible.

El disco de rotor 14 tiene tres ejes ortogonales incluyendo el eje axial X, el eje tangencial o circunferencial Y, y el eje radial Z. El eje axial X se extiende en la dirección corriente abajo con respecto al flujo del aire 16 a través del compresor. El eje tangencial Y se extiende en la dirección de rotación del disco y de los álabes. Y, el eje radial Z, se extiende radialmente hacia fuera a partir del perímetro del disco para cada uno de los álabes situados sobre
éste.

Cada álabe 12 incluye un lado de presión 18 genéricamente cóncavo y un lado de aspiración 20 genéricamente convexo que se extienden radial o longitudinalmente desde una base o cubo 22 unida de manera integral con el perímetro del disco hasta una punta radialmente exterior 24. Los dos lados se extienden a modo de cuerda o axialmente entre los bordes de ataque y posterior 26, 28 desde la base hasta la punta.

De acuerdo con una característica de la presente invención, el lado de aspiración 20 del álabe está lateral o tangencialmente curvado a lo largo del borde posterior 28 cerca de o adyacente a la base 22 en la intersección con el perímetro del disco. La separación del flujo del aire en este emplazamiento puede sustancialmente reducirse o eliminarse tanto para incrementar la eficiencia de la paleta como para mejorar el margen de entrada en pérdida.

El borde posterior del lado de la aspiración está curvado fundamentalmente solo en la dirección tangencial como se ilustra en la Figura 2. En la proyección lateral del plano axial y radial X-Y ilustrado en la Figura 3 la curvatura del lado de la aspiración es imperceptible. Sin embargo, el álabe puede también estar curvado axialmente como se ilustra en la Figura 3 para obtener mejoras adicionales en el rendimiento de acuerdo con lo expuesto más adelante en la presente memoria.

El álabe ilustrado en las Figuras 1 a 3 se define mediante una pluralidad de secciones transversales apiladas radial o longitudinalmente, una de las cuales se ilustra en la Figura 4. Cada sección tiene un perfil aerodinámico definido por las respectivas porciones de los lados de presión y aspiración 18, 20 que se extienden entre los bordes de ataque y posterior 26, 28. Cada perfil está definido por una cuerda recta 30 que se extiende radialmente entre los bordes de ataque y posterior, y una línea de combadura de la sección transversal arqueada 32 que es la línea principal separada de forma equidistante entre los lados de presión y aspiración a partir del borde de ataque hasta el posterior. La línea de combadura 32 tiene un ángulo de combadura A con respecto al eje axial X que varía entre los bordes de ataque posterior, y que es genéricamente paralelo con el aire incidente 16 en el borde de ataque del álabe.

Cada sección del álabe tiene también un centro de gravedad 34 que está alineado radialmente a lo largo de la envergadura longitudinal del álabe dentro de un eje de apilamiento curvado 36 como se ilustra en la Figura 1. El eje de apilamiento 36 en combinación con las configuraciones de las secciones correspondientes de los álabes que incluyen sus cuerdas 30 y sus líneas de combadura 32 permiten una definición en 3D del álabe para un rendimiento potenciado de acuerdo con la presente invención.

Más concretamente, el eje de apilamiento 36 ilustrado en la Figura 1 tiene dos componentes ortogonales que incluyen un eje de apilamiento tangencial 36a ilustrado en la Figura 2 y un eje de apilamiento axial 36b ilustrado en la Figura 3. Como se muestra en la Figura 2, el eje de apilamiento tangencial 36a es no lineal o está curvado adyacente a la base 22 del álabe para curvar el lado de aspiración 20 del álabe cerca de la base o cubo del borde posterior.

El eje de apilamiento tangencial 36a inicialmente se apoya hacia delante o en la dirección delantera de rotación de los álabes y del disco a partir de la base 22 hacia el lado de presión 18 del álabe. El eje 36a se apoya a continuación hacia la parte posterior trasera, opuesta a la dirección de rotación de los álabes y del disco, hacia el lado de aspiración 20 adyacente a la punta 24. Paralelamente, la combadura de las secciones transversales del álabe adyacentes a la base varía a su vez para curvar el lado de aspiración en ese punto.

La curvatura del eje de apilamiento tangencial 36a y de las correspondientes formas de las secciones transversales se seleccionan para sustancialmente reducir o eliminar la separación del flujo del aire a lo largo del lado de aspiración cerca del cubo del álabe en el borde posterior.

El eje de apilamiento curvado permite que el borde posterior 28, tal y como se ilustra en las Figuras 1 y 2, quede orientado sustancialmente en perpendicular a la base del lado de aspiración curvado 20 y se apoye hacia atrás por encima de aquél. El borde posterior 28 se entrecruza con el perímetro o plataforma del disco de rotor en el ángulo de intersección B el cual de no ser así resultaría considerablemente agudo sin la curvatura del borde posterior.

El análisis informático indica que los ángulos de intersección del borde posterior agudo propician la separación del flujo del cubo lo que reduce la eficiencia del álabe. La curvatura del lado de la aspiración reduce la agudeza del ángulo de intersección B para reducir en la medida correspondiente la separación del flujo, con el correspondiente incremento de la eficiencia. El eje de apilamiento curvado permite el desarrollo de unas cargas centrífugas durante el funcionamiento para enderezar ligeramente el álabe e introducir unos esfuerzos locales de flexión compresiva lo que desvía localmente el esfuerzo de tracción centrífugo.

De acuerdo con ello, el álabe preferentemente curvado reduce la separación del flujo al nivel del cubo, y queda solo limitado por el grado de curvatura del eje de apilamiento que puede introducirse por unos esfuerzos de flexión aceptables durante el funcionamiento. El flujo de aire mejorado del cubo incrementa la eficiencia del álabe sin comprometer el margen de entrada en pérdida.

El barrido aerodinámico es un parámetro convencional para evaluar el rendimiento de un álabe de compresor. De acuerdo con otra característica de la presente invención, se proporcionan unos medios para limitar el barrido aerodinámico trasero del álabe 12 entre los bordes de ataque y posterior. El barrido trasero puede afectar negativamente al margen de la entrada en pérdida, y la limitación selectiva del barrido trasero puede potenciar el margen de entrada en pérdida.

El barrido trasero del álabe 12 ilustrado en la Figura 3 puede ser limitado curvando de manera selectiva el eje de apilamiento axial 36b y también mediante la variación selectiva de las distribuciones de la cuerda de las secciones transversales.

Por ejemplo, el barrido trasero puede ser limitado configurando el borde de ataque 26 del álabe para que tenga una porción axialmente coplanar radialmente exterior o más alejada que incluya la punta 24. Y, la porción restante radialmente interior o más cercana respecto del borde de ataque 26 está inclinada axialmente hacia delante respecto de la base 22 a partir de la porción exterior.

La Figura 3 ilustra una porción axial del álabe 12 desde su lado de aspiración 20 y muestra una porción recta exterior del borde de ataque que está preferentemente situada en un aplazamiento axial constante. La porción interior del borde de ataque 26 se apoya hacia delante cuando la base del álabe se aproxima con respecto a la línea radial ilustrada en línea de puntos. El barrido trasero aerodinámico del álabe resulta de esta forma limitado al nivel del borde de ataque desde la base hasta la punta del álabe.

Como se muestra en la Figura 3, las porciones exterior e interior del borde de ataque 26 se entrecruzan o atraviesan entre sí aproximadamente en el centro del borde salida del álabe. En una forma de realización preferente, la transición del borde de salida oscila entre aproximadamente el 40% de la altura de la envergadura y aproximadamente el 60% de la altura de la envergadura. Tanto la eficiencia del álabe como el margen de entrada en pérdida pueden incrementarse en mayor medida mediante esta configuración preferente del borde de ataque.

El barrido aerodinámico trasero puede limitarse en mayor medida configurando preferentemente el borde posterior 28 del álabe tal como se ilustra en la Figura 3. El eje de apilamiento axial 36b en combinación con las longitudes de cuerda correspondientes puede utilizarse para controlar la configuración del borde posterior. En una forma de realización preferente ilustrada en la Figura 3, el borde posterior 28 tiene una porción interior axialmente coplanar que incluye la base 22, y una porción exterior inclinada axialmente hacia delante hasta la punta 24 desde la porción interior.

Las porciones interior y exterior del borde posterior 28 se entrecruzan o atraviesan entre sí radialmente hacia dentro entre el centro del borde de salida del álabe y la base 22. En una forma de realización preferente, esta transición interior del borde posterior se sitúa aproximadamente entre el 15% de la altura de la envergadura y aproximadamente el 25% de la altura de la envergadura. La configuración del borde posterior se define así mediante el mantenimiento de una posición axial constante del borde posterior desde la base 22 respecto de la porción interior menor de la altura de la envergadura, en la cual la porción exterior mayor del borde posterior se proyecta o se inclina hacia delante en dirección a la punta 24 con respecto a la línea radial ilustrada en línea de puntos.

También aquí, el barrido aerodinámico posterior queda limitado mediante el incremento correspondiente de la eficiencia del álabe y del margen de entrada en pérdida.

Dado que el eje de apilamiento incluye ambos componentes tangencial y axial, el componente tangencial puede utilizase ventajosamente para introducir el lado de aspiración curvado 20 cerca del borde posterior en la base tal y como se ilustra en las Figuras 1 y 2 para obtener las ventajas anteriormente descritas. Paralelamente, el componente axial del eje de apilamiento puede seleccionarse para limitar el barrido trasero a lo largo tanto de los bordes de ataque como posterior 26, 28 tal como se ilustra en la Figura 3.

Y, de modo harto significativo, el contorno axial del álabe coopera con el contorno tangencial para reducir todavía más o eliminar la separación del flujo.

El eje de apilamiento está configurado en combinación con las formas de las secciones transversales individuales del álabe incluyendo la distribución de la longitud de las cuerdas 30 y la combadura de las líneas de combadura 32. Y, la configuración específica del eje de apilamiento puede también ser controlada para limitar los esfuerzos de flexión generados centríguamente en el álabe dentro de los límites aceptables.

De acuerdo con ello, los dos componentes del eje de apilamiento y la forma de secciones transversales del álabe pueden configurarse también en base a una análisis de flujo laminar en 3D para incrementar tanto la eficiencia del álabe como el margen de entrada en pérdida resultante de la configuración distintiva en 3D ilustrada en las figuras.

El grado de curvatura del lado de aspiración y la limitación del barrido trasero a lo largo de los bordes de ataque y posterior pueden ajustarse en diferentes combinaciones para diferentes configuraciones de álabe para diversificar los beneficios de la eficiencia incrementada del álabe y el correspondiente margen de entrada en pérdida. El álabe resultante 12 puede así diseñarse para obtener rendimientos verdaderamente en 3D atribuíbles a los avances actuales del análisis computacional que hace posible muchas mejoras.

Claims (1)

1. Un álabe (12) de compresor para un disco (14) de rotor que tiene unos ejes ortogonales, axiales, tangenciales y radiales que comprende:

unos lados de presión y de aspiración (18, 20) que se extienden radialmente desde la base (22) hasta la punta (24), y axialmente entre unos bordes de ataque y posterior (26, 28);

unas secciones transversales que tienen unas cuerdas respectivas y unas líneas de combadura de la sección transversal que se extienden entre dichos bordes de ataque y posterior, y unos centros de gravedad (34) alineados en un eje de apilamiento curvado (36);

estando dicho lado de aspiración (20) curvado a lo largo de dicho borde posterior (28) adyacente a dicha base (22) para reducir la separación del flujo en ese punto; y

un medio (36b) para limitar el barrido aerodinámico trasero de dicho álabe entre dichos bordes de ataque y posterior (26, 28);

en el que dicho eje de apilamiento comprende dos componentes ortogonales que incluyen un eje de apilamiento tangencial (36a) y un eje de apilamiento axial (36b), y dicho eje de apilamiento tangencial está curvado en posición adyacente a dicha base (22) del álabe para curvar dicho lado de aspiración (20) en ese punto; y

en el que dicho medio de limitación del barrido comprende la curvatura de dicho eje de apilamiento axial (36b) y la variación de las distribuciones de la cuerda de dichas secciones transversales, comprendiendo así mismo el medio de limitación del barrido: dicho borde de ataque (26) que tiene una porción exterior axialmente coplanar que incluye dicha punta (24), y una porción interior inclinada hacia delante de dicha base (22) de dicha porción exterior, y dicho borde posterior que tiene una porción interior axialmente coplanar que incluye dicha base (22) y una porción exterior inclinada hacia delante de dicha punta (24) desde dicha porción interior del borde trasero; caracterizado porque:

dicho eje de apilamiento tangencial (36a) inicialmente se apoya sobre dicha base (22) hacia dicho lado de presión (18), y se apoya luego hacia atrás hacia dicho lado de aspiración (20) hacia dicha punta (24), y la combadura de dichas secciones adyacentes a dicha base varía para curvar dicho lado de aspiración en ese punto; y

en el que dichas porciones exterior e interior del borde de ataque (26) oscilan entre el 40% y el 60% de la altura de la envergadura, y las porciones interior y exterior del borde trasero (28) oscilan entre el 15% y el 25% de la altura de la envergadura.