ES2548254T3

ES2548254T3 - Álabe móvil de compresor para un compresor axial

Info

Publication number: ES2548254T3
Application number: ES10743094.4T
Authority: ES
Inventors: Georg Kröger; Christian Cornelius; Eberhard Nicke
Original assignee: Siemens AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Siemens Corp
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2010-08-10
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2030-08-10
Also published as: EP2473743B1; EP2473743A1; WO2011026714A1; CN102483072A; RU2012112930A; EP2299124A1; RU2534190C2; US8911215B2; CN102483072B; JP2013503999A; US20120230834A1; HUE025789T2; JP5678066B2

Abstract

Álabe móvil de compresor (10) para un compresor axial, con una hoja de álabe curvada (12), que comprende una pared lateral de compresión (14) y una pared lateral de succión (16), que, por un lado, se extienden en cada caso desde un borde de ataque común (18) a un borde de salida común (20) y, por otro, forman una envergadura que se extiende desde un extremo lateral de sujeción de la hoja del álabe hasta una punta de la hoja del álabe (22), en donde para cada altura de la hoja de álabe existente a lo largo de la envergadura la hoja de álabe (12) tiene * un perfil (28, 30) con un contorno lateral de succión (42) y un contorno lateral de compresión (40), * una línea media al menos parcialmente curvada (32) y * una cuerda del perfil rectilíneo (34), cuyos contornos (40, 42), línea media (32) y cuerda del perfil (34) se extienden, en cada caso, desde un punto del borde de ataque (24) hasta un punto del borde de salida (26), caracterizado porque al menos alguna de las líneas medias (32) del perfil lateral de la punta de álabe (30) presenta al menos dos puntos de inflexión (36, 38).

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DESCRIPCIÓN

Álabe móvil de compresor para un compresor axial

La invención hace referencia a un álabe móvil de compresor para un compresor axial conforme a las características del término genérico de la reivindicación 1.

Los álabes de compresor para compresores axiales del estado actual de la técnica son conocidos ampliamente. Por ejemplo, la EP 0 991 866 B1 muestra un álabe móvil de compresor con un perfil, cuyo contorno lateral de succión presenta, en un punto de la sección lateral de succión representado mediante una recta de referencia que corta perpendicularmente la cuerda del perfil a un 5% de la longitud de dicha cuerda del perfil, un radio de curvatura menor que la mitad de la longitud de la cuerda del perfil. De este modo debería obtenerse el máximo de velocidad tras un trayecto comparativamente más corto del flujo alrededor de la hoja del álabe por el lado de succión, y el punto de paso de flujo laminar a flujo turbulento coincide con el punto del máximo de velocidad, por lo que el perfil presenta una zona de trabajo especialmente grande en la que se comprime el flujo de gas de forma eficaz.

Además se sabe que, en las puntas de hoja de álabe de los álabes de compresor aparecen las llamadas pérdidas por fugas en la separación radial. En este contexto se pierde parte de la ganancia de compresión en la operación del compresor axial, ya que en la punta de la hoja del álabe, desde el lado de compresión de la hoja de álabe al lado de succión de la hoja de álabe se establece una corriente de fuga. Para reducir esta corriente de fuga se sabe que la separación radial entre las puntas de hoja del álabe y la pared anular opuesta del canal del compresor ha de mantenerse siempre lo más pequeña posible. No obstante, los tamaños mínimos de estas separaciones han de cumplir además unos requerimientos fundamentales, para evitar fallos de las puntas de la hoja del álabe en la pared anular. Esto se aplica particularmente para condiciones de funcionamiento transitorias, en las que no hayan concluido aún las deformaciones inducidas térmicamente tanto de la pared del canal como también de los álabes móviles.

Además, es frecuente que el perfilado anterior de las puntas de hoja del álabe se adapte únicamente a las condiciones específicas de afluencia en la zona de la pared anular. El perfilado propiamente dicho no se realiza considerando los efectos tridimensionales reales del flujo en la punta de hoja del álabe. Por lo tanto, los perfiles convencionales de hoja de álabe no se ajustan de forma óptima a las complejas condiciones del flujo en la zona de la punta de la hoja de álabe. De este modo, existe un considerable potencial de mejora particularmente en álabes de compresor con menor envergadura y una altura de separación relativa grande (con respecto a la envergadura).

Como en los conjuntos de álabes de las turbomáquinas modernas, tales como los que se conocen a partir de la EP 0 991 866 B1, han logrado una eficiencia aerodinámica muy alta, con una tendencia a cargas de perfil cada vez mayores, surge una proporcionalidad creciente en pérdidas globales debido a estas pérdidas en la separación radial, que aparecen en la zona externa del espacio anular próxima a la pared. Una reducción de estas pérdidas destacables origina, por consiguiente, una significativa mejora del grado de efectividad de las turbomáquinas y compresores axiales.

Para reducir estas pérdidas en la separación radial, se conoce, por ejemplo a partir de la SU 1 751 430-A1, cómo configurar la punta de hoja del álabe de los álabes móviles de un compresor axial en forma de S. La línea media del perfil está formada por dos arcos circulares en sentidos contrarios que se unen entre sí en un punto de inflexión. El punto de inflexión se encuentra además en el rango de entre un 5% y un 15% de la longitud relativa de la cuerda. De este modo se reducen pérdidas secundarias de flujo y desigualdades de la corriente a la salida de los álabes subsónicos del compresor, debido a la reducción del gradiente de presión. En particular, debería reducirse además el gradiente de presión en las zonas anterior y media de las holguras entre los álabes móviles. Conforme a la SU 1 751 430-A1, la zona del borde de ataque se gira en la dirección del lado de succión de la hoja de álabe, por lo que la zona anterior, es decir aguas arriba, del perfil tiene una curvatura inversa en comparación con la zona posterior, es decir aguas abajo, del perfil del álabe.

Otros álabes de compresor conforme al término genérico de la reivindicación 1 se conocen también gracias a la DE 10 2005 025213 A1.

A pesar de las soluciones ya existentes, existe además un gran interés en reducir las pérdidas en la separación radial de las turbomáquinas, para incrementar la eficiencia de estas máquinas.

Es objeto de la invención la producción de un álabe móvil de compresor con una punta de hoja del álabe que tenga especialmente pocas corrientes de fuga y pérdidas en la separación radial durante la operación en una turbomáquina.

Este objeto se resuelve con un álabe móvil de compresor para un compresor axial, con una hoja de álabe curvada, que comprende una pared lateral de compresión y una pared lateral de succión, que, por un lado, se extienden, en

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cada caso, desde un borde de ataque común a un borde de salida común y, por otro, /se extienden para conformar una envergadura desde un extremo del lado de fijación de la hoja de álabe hasta una punta de hoja de álabe, con lo que, para cada altura de la hoja de álabe existente a lo largo de la envergadura, la hoja de álabe presenta un perfil con un contorno lateral de succión y un contorno lateral de compresión, una línea media al menos parcialmente curvada y una cuerda del perfil rectilíneo, extendiéndose los contornos, línea media y cuerda del perfil, en cada caso, desde un punto del borde de ataque dispuesto en el borde de ataque a un punto del borde de salida dispuesto en el borde de salida, donde al menos una de las líneas medias del perfil en una zona de la punta de hoja de álabe (o sea, algunas líneas medias del perfil del lado de la punta del álabe) tiene(n) al menos dos puntos de inflexión.

La invención se basa en el conocimiento de que, las pérdidas en la separación radial podrían reducirse, si se pudiera ejercer una influencia sobre las turbulencias en las holguras, también responsables de pérdidas. Conforme a la invención, la turbulencia en las holguras, producida y estimulada por el flujo másico en la hendidura, debería producirse posteriormente, comparada con un perfil convencional de puntas de hoja de álabe, es decir en una posición aguas abajo. La turbulencia en las holguras, por consiguiente, generada posteriormente en relación al perfil convencional se puede explicar que es debida a una menor carga del perfil optimizado respecto al perfil anterior. En contra de la tendencia general hoy en día de debilitar la turbulencia en las holguras en su conjunto, debería generarse conforme a la invención ahora un impulso local más fuerte para producir precisamente la turbulencia en las holguras, con lo que entonces la sustentación técnica del flujo debería reducirse de manera considerablemente más intensa que en el perfil convencional. En conjunto, esto conlleva a bajas pérdidas de flujo en la separación radial. Para generar la deseada turbulencia en las holguras, al menos alguna de las líneas medias, preferentemente las líneas medias del perfil del lado de la punta del álabe, presenta(n) al menos dos puntos de inflexión. Mediante la presencia de dos puntos de inflexión en la línea media y mediante una distribución convencional de grosores, los perfiles del lado de la punta del álabe, y también el contorno lateral de succión y el contorno lateral de compresión presentan un pandeo que sería apreciando hasta ahora como algo sorprendente para un experto, que en referencia al respectivo perfil se designará en adelante como pandeo del perfil. El pandeo del perfil origina en su posición un incremento local del flujo másico de hendidura, que impulsa la turbulencia en las holguras, como se desea, más intensamente que hasta ahora y la separa del lado de succión de la hoja de álabe. En la zona aguas abajo detrás del pandeo en el contorno lateral de succión disminuye el grosor de flujo másico en la separación radial de manera considerablemente más destacada que al utilizar los anteriores perfilados en la punta de la hoja del álabe. En conjunto, se origina un flujo másico con hendidura reducido, comparado con los perfilados convencionales. El contorno del lado de succión del pandeo del perfil desarrolla la turbulencia en las holguras a lo largo de una línea, que presenta asimismo un pandeo aguas abajo del pandeo del contorno lateral de succión. La rotura anticipada de la turbulencia en las holguras coincide con el gran incremento del grosor de flujo másico en la separación radial en su máximo y con una reducción del mismo en su zona posterior. La línea de turbulencia en las holguras baja tras su pandeo desde la pared lateral de succión en un ángulo mayor que el que es el caso en el perfil convencional. De este modo se aleja hacia adelante la turbulencia en las holguras a una distancia del lado de succión mayor que con el perfilado convencional. El mayor ángulo se debe al mayor gradiente del grosor de flujo másico del flujo de hendidura tanto en modo incremental como también en modo de decremento. En conjunto, el perfilado conforme a la invención origina menos pérdidas en la separación radial y un menor bloqueo del campo de flujo a la salida de la fila de álabes móviles.

Mediante la reducción selectiva de las pérdidas en la separación radial se puede mejorar considerablemente el grado de efectividad del alabeado y, por consiguiente, también el grado de efectividad de una turbomáquina provista del álabe móvil de compresor.

En las subreivindicaciones se indican ordenaciones favorables.

Preferentemente se define en el primero de ambos puntos de inflexión con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil un primer punto de proyección sobre la mencionada cuerda, que dista del punto del borde de ataque entre un 10% y un 30% de la longitud de la cuerda del perfil. Al mismo tiempo, el segundo de ambos puntos de inflexión con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil define sobre ésta un segundo punto de proyección, que dista del punto del borde de ataque entre un 30% y un 50% de la longitud de la cuerda del perfil. Particularmente aparecen en estos puntos de inflexión especialmente en una gran medida, las ventajas que acompañan a la invención. Ambos puntos de inflexión se encuentran además mutuamente al menos a un 3 % de la longitud de la cuerda del perfil.

Conforme a otra ordenación preferida de la invención, las líneas medias de los perfiles incluyen una sección anterior, que se extiende, en cada caso, desde el punto del borde de ataque hasta un punto final de la sección anterior, cuyo punto de proyección, con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil, dista del punto del borde de ataque entre un 2% y un 10% de la longitud de la cuerda del perfil, teniendo al menos alguna de las secciones anteriores, preferentemente de las secciones anteriores del perfil del lado de la punta del álabe, un radio de curvatura, que es como la 100-ésima parte de la cuerda del perfil. En otras palabras, las secciones anteriores de la línea media de los perfiles del lado de la punta del álabe corresponden, en cada caso, a una recta o, al menos, casi a una recta. Por consiguiente, el perfil en la respectiva sección anterior es simétrico -en la práctica sin curvatura -, lo que significa que, también desde la distribución local de velocidades en torno a la zona de borde de ataque del lado de la punta

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del álabe de la hoja de álabe, no se produce ningún potencial de presión desde el lado de compresión al lado de succión. Como el diferencial de potencial de presión entre el lado de compresión y el lado de succión en la zona del borde de ataque se toma como causa para la aparición de la turbulencia en las holguras y, por consiguiente, como causa para las pérdidas en las hendiduras, esta descarga de la zona del borde de ataque origina aquí un debilitamiento y el retraso espacial, es decir aguas debajo, de la generación de turbulencia en las holguras. El contorno lateral de succión y el contorno lateral de compresión de los perfiles del lado de la punta del álabe en la sección anterior de la línea media se configuran además preferentemente simétricos o también en forma de cuña con secciones de contorno casi rectilíneas sobre el lado de succión y el lado de compresión.

Conforme a otra ordenación preferente, cada sección anterior muestra un ángulo de incidencia frente a un flujo de gas afluente, con lo que complementariamente a, o en vez de, la sección anterior casi recta de la línea media, en al menos alguno de los ángulos de incidencia, con preferencia sin embargo el ángulo de incidencia del perfil del lado de la punta del álabe, será menor que el ángulo de incidencia de los demás perfiles de la hoja de álabe. El ángulo de incidencia de la sección anterior de la línea media del perfil del lado de la punta del álabe será además preferentemente menor que 10°, preferentemente incluso igual a 0°. En otras palabras: el ángulo de entrada del metal del perfil del lado de la punta del álabe es significativamente menor que el ángulo de entrada del metal de los demás perfiles de la hoja de álabe. Puede decirse, por consiguiente, que la zona del borde de ataque de la punta de la hoja de álabe, en contraposición a la solución conforme a la SU 1751430 A1, se acopla a la zona de incidencia, lo que sirve igualmente para evitar un potencial de presión entre los lados de compresión y de succión en la zona de borde de ataque del lado de la punta del álabe. Esto evita también la producción de turbulencia en las holguras en la zona del borde de ataque.

Alternativamente o complementariamente a los perfeccionamientos, al menos alguno de los puntos del borde de ataque, preferentemente puntos del borde de ataque del perfil del lado de la punta del álabe, se pueden disponer preferentemente aguas arriba de los puntos del borde de ataque de los demás perfiles de la hoja de álabe. En otras palabras: el borde de ataque de los perfiles para las puntas de hoja de álabe puede, mediante una extensión del perfil hacia delante -en dirección aguas arriba – situarse delante respecto a los demás bordes de ataque. Esto tiene como consecuencia que no pueda haber ningún gradiente de presión muy acusado en la zona del borde de ataque de la punta de hoja de álabe, de forma que tampoco para una distribución radial de la presión pueda producirse un potencial entre el lado de compresión y el lado de succión.

Preferentemente, solamente las líneas medias de los perfiles presentes en la zona de la punta de hoja de álabe presentan dos puntos de inflexión, comprendiendo el lado de la punta del álabe una zona de cómo máximo un 20% de la envergadura de la punta de hoja de álabe. La otra zona de la hoja de álabe, desde un extremo del lado de fijación de la hoja de álabe hasta una altura de la hoja de álabe de cómo mínimo un 80% de la envergadura, puede perfilarse convencionalmente.

Por consiguiente, la invención se relaciona en principio con una punta de hoja de álabe modificada, formando parte de álabes de compresor dispuestos en una corona para compresores axiales.

Conforme a otra ordenación preferente, las líneas medias incluyen una sección posterior, que se extiende, en cada caso, desde un punto de inicio de la sección posterior hasta el punto del borde de salida, presentando la sección posterior al menos una, preferentemente todas, de las líneas medias del lado de la punta del álabe, una mayor curvatura que las secciones posteriores de las líneas medias de los demás perfiles de la hoja de álabe. Por consiguiente, el ángulo de salida del metal de los perfiles del lado de la punta del álabe será menor que el ángulo de salida del metal de los perfiles a la altura de mitad de la envergadura o en la zona del extremo del lado de fijación, es decir del lado del cuadro de las hojas de álabe. El punto de inicio de sección de la sección posterior de la línea media con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil, define un punto de proyección dispuesto sobre la cuerda del perfil, que dista del punto del borde de ataque como máximo un 60% de la longitud de la cuerda del perfil. El borde de salida está por lo tanto más curvado en la zona del lado de la punta del álabe que en las demás zonas de la hoja de álabe. La mayor curvatura conlleva una ejecución de mayor eficiencia preferentemente en el 40% posterior de la hoja de álabe, de forma que en conjunto la carga de la hoja de álabe se desplace hacia atrás. Esta ordenación puede servir como compensación de la descarga en el borde de ataque, para, a pesar de la descarga del perfil del lado de la punta del álabe en la zona anterior de la cuerda del perfil, alcanzar aún una alta ejecución de eficiencia. En conjunto puede mejorarse, y por tanto también reduciendose el bloqueo en la zona de la punta de hoja de álabe del álabe móvil de compresor, la incidencia del siguiente álabe propulsor en la zona externa de la pared anular. Esto reduce una incidencia local a fallos para los subsiguientes álabes propulsores.

Más preferentemente, al menos algún perfil, preferentemente el perfil del lado de la punta del álabe, se configura en el "Aft-Loaded-Design" (el diseño para cargas posteriores) y los demás perfiles, es decir, los del lado de la punta del álabe, en el "Front-Loaded-Design" (diseño para cargas frontales).

La turbulencia en las holguras responsable de las pérdidas en las hendiduras puede volverse extremadamente eficiente, si también el contorno lateral de succión y el contorno lateral de compresión presentan al menos tres secciones curvadas consecutivas con signo alternante, que limiten con secciones curvadas adyacentes, en cada

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caso, en un punto de inflexión. Esto puede lograrse con una distribución de grosores apropiada, aplicada de manera convencionalmente perpendicular y simétrica, es decir por ambas caras a las mismas partes sobre la línea media. Estas medidas conducen por el lado de succión a secciones de contorno cóncavas y por el lado de compresión a secciones de contorno convexas, con las que se puede influir en la turbulencia en las holguras conforme a la idea de manera especialmente simple.

Convenientemente, la punta de hoja de álabe se configura libre.

Si se establece una distribución de velocidades del gas a lo largo del contorno lateral de succión desde el punto del borde de ataque hasta el punto del borde de salida durante un flujo circundante, en al menos algún perfil, seleccionado preferentemente del lado de la punta del álabe, aparece un máximo de velocidad en un punto máximo, cuyo punto de proyección, con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil sobre ésta, dista del punto del borde de ataque entre un 10% y un 30% de la longitud de la cuerda del perfil. Esta medida asegura un impulso especialmente largo para el desarrollo de la turbulencia en las holguras. Para minimizar entonces las pérdidas en la separación radial lo más posible, se prevé que el suministro de energía de la turbulencia en las holguras descienda especialmente rápido, es decir, en una longitud especialmente más corta, en un gradiendte especialmente acusado. A tal efecto se prevé que los respectivos perfiles se seleccionen de tal forma que en una sección lateral de succión consecutiva al punto máximo del contorno lateral de succión con una longitud de cómo máximo un 15% de la longitud de la cuerda del perfil se establezca un gradiente de velocidad, cuya pendiente sea máxima. Esto conlleva que la turbulencia en las holguras esté fuertemente subabastecida para su tamaño, lo que conlleva que ésta se aleje de la superficie del lado de succión en un mayor ángulo. Esto conlleva pérdidas especialmente bajas en las hendiduras en un compresor axial, cuyo rotor esté provisto de los álabes de compresor conformes a la invención.

La explicación ulterior de la invención se lleva a cabo en base al ejemplo de ejecución representado en el diseño.

En detalle muestran:

FIG 1 un perfil conforme a la invención y un perfil conocido del estado actual de la técnica para un álabe móvil de compresor;

FIGs 2, 3, 6 las distribuciones de velocidad a lo largo del contorno lateral de succión y del contorno lateral de compresión del perfil conforme a la invención y del perfil convencional de la FIG 1;

FIG 4 el contorno del lado de succión y del lado de compresión del perfil conforme a la invención para un álabe móvil de compresor;

FIG 5 el progreso de la curvatura del perfil conforme a la invención a lo largo del lado de succión y del lado de compresión;

FIG 7 la densidad de flujo másico del flujo másico en un hueco radial al usar un perfil conforme a la invención para una punta de hoja de álabe libre;

FIG 8 la topología de las trayectorias de turbulencia en las holguras para el perfil conforme a la invención y el perfil convencional y

FIG 9, 10 representaciones en perspectiva de la punta de hoja de álabe libre de un álabe móvil de compresor conforme a la invención.

Las FIG 9 y FIG 10 muestran, en cada caso, un álabe móvil de compresor 10 libre desde diversas perspectivas. Su hoja de álabe 12 comprende una pared lateral de compresión 14 así como una pared lateral de succión 16, que, por un lado, se extienden, en cada caso, desde un borde de ataque 18 común atravesado por una corriente de gas hasta un borde de salida común 20 y, por otro, con formación de una envergadura desde un extremo del lado de fijación de la hoja de álabe representado en las FIG 9 y FIG 10 hasta una punta de hoja de álabe 22.

En la FIG 9 se selecciona la perspectiva de forma que la vista se proyecte sobre el borde de salida 20 de la hoja de álabe 12; en la FIG 10, la vista se proyecta sobre el borde de ataque 18 de la hoja de álabe 12. En el extremo del lado de fijación de la hoja de álabe puede preverse de manera conocida una plataforma así como un pie de álabe allí dispuesto. En función del tipo de fijación, el pie de álabe del álabe móvil de compresor 10 se configura en forma de cola de milano, de abeto o de martillo. El álabe móvil del compresor puede también soldarse a un rotor.

En el rotor de un compresor axial, la orientación de la hoja de álabe 12 se fija de forma que la hoja de álabe 12 se extienda desde el borde de ataque 18 hasta el posterior 20 en aproximadamente la dirección axial del compresor axial, que en el sistema de coordenadas asociado a las FIG 9 y FIG 10 se identifica con el eje X. la dirección radial

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Una envergadura de la hoja de álabe 12 está, por consiguiente, cubierta en la dirección del eje Z.

De manera conocida, los álabes de compresor 10 para compresores axiales se proyectan de forma que, a lo largo de un eje de columna representado en línea recta o también ligeramente curvado se alineen perfiles diferentes o también idénticos, cuyo espacio incluido defina la hoja de álabe 12. Cada perfil muestra en principio una superficie de centro de gravedad, que se encuentra sobre el eje de la columna.

Se entiende por un perfil en detalle una línea sinfín, que comprende un contorno lateral de succión y un contorno lateral de compresión de una hoja de álabe. Los contornos se encuentran, por un lado, en un punto del borde de ataque y, por otro, en un punto del borde de salida, que son también parte del perfil y se hallan además sobre el correspondiente borde de la hoja de álabe. Para cada altura de la hoja de álabe existente a lo largo de la envergadura existe tal perfil. Si el perfil representa el contorno de una sección transversal a través de la hoja de álabe, para una determinada altura de la hoja de álabe se orientan la sección transversal, bien perpendicularmente o también de manera ligeramente inclinada, respecto a la dirección radial del compresor axial -correspondiente a una contracción del canal anular. En la FIG 9 se muestran contornos laterales de compresión 40 de tres perfiles 28, 30 en línea continua. En la FIG 10 se representan varios contornos laterales de succión 42 de los perfiles 28, 30 de diferentes alturas de la hoja de álabe asimismo en líneas continuas.

La hoja de álabe 12 curvada representada en las FIG 9 y FIG 10 muestra una zona de punta de hoja de álabe 43 modificada conforme a la invención frente al estado actual de la técnica, cuya ordenación y principio de funcionamiento se describen a continuación más a fondo.

En la FIG 1 se muestran dos perfiles básicamente diferentes 28, 30. El primer perfil 28, representado en línea de puntos, muestra una sección transversal a través del álabe móvil de compresor 10 conforme a la FIG 10 en una altura de la hoja de álabe de la media envergadura de la hoja de álabe 12. El perfil 28 puede ser un perfil convencional, conocido en el estado actual de la técnica. El perfil 30 representado en línea continua muestra una sección transversal a través del álabe móvil de compresor 10 conforme a la invención conforme a la FIG 10 en la zona 43 de la punta de hoja de álabe 22. Cada perfil 28, 30 conforme a la FIG 1 muestra una línea media asociada a él, representándose por motivos de claridad en la FIG 1 únicamente la línea media 32 del perfil 30 del lado de la punta del álabe en línea discontinua. La línea media 32 empieza en un punto del borde de ataque 24, acaba en un punto del borde de salida 26 asociado y está siempre situada centralmente entre el contorno lateral de compresión 40 y el contorno lateral de succión 42. Se conoce también como línea media del perfil.

Además de la línea media 32, en el estado actual de la técnica se definen también perfiles con ayuda de una cuerda de perfil recta. La cuerda de perfil es una recta, que se extiende desde el punto del borde de ataque hasta el punto del borde de salida. En la FIG 1 sólo se muestra una cuerda de perfil 34 para el perfil 30 del lado de la punta del álabe. Como la cuerda de perfil 34 se utiliza a continuación para definir geométricamente los puntos significativos del perfil 30, su longitud se normaliza a uno, ascendiendo en el punto del borde de ataque 24 la longitud de la cuerda del perfil al 0% y en el punto del borde de salida 26 la longitud de la cuerda del perfil al 100%. Por ello se entiende también una longitud de cuerda relativa.

Claramente existe también una cuerda del perfil para el perfil 28 conocido del estado actual de la técnica. Esta cuerda del perfil se representa sin embargo en aras de claridad en la FIG 1.

La cuerda del perfil normalizada 34 se indica además con x/c. El perfil 30 representado en la FIG 1 resulta además representativo del perfil radialmente más externo del lado de la punta del álabe 30. El perfil convencional 28 representado en la FIG 1 resulta, por un lado, representativo de los perfiles conocidos en el estado actual de la técnica y, por otro, de los demás perfiles del álabe móvil de compresor 10. Por los demás perfiles 28 han de entenderse aquellos dispuestos del lado de la punta del álabe y, por consiguiente, que pueden disponerse por ejemplo en la zona del lado de fijación de la hoja de álabe 12 o centralmente entre la punta de hoja de álabe 22 y el extremo del lado de fijación de la hoja de álabe. La transición del perfil convencional 28 al perfil del lado de la punta del álabe 30 se lleva a cabo además sin etapas, tal y como muestra la FIG 10.

Característico de un álabe móvil de compresor conforme a la invención 10 es que las líneas medias 32 del perfil del lado de la punta del álabe 30 presentan al menos dos puntos de inflexión 36, 38. Esto significa que la línea media 32 presenta, aguas arriba del primer punto de inflexión 36, una primera sección de curvatura A con una primera curvatura y, aguas abajo del primer punto de inflexión 36 hasta el segundo punto de inflexión 38, una segunda sección de curvatura B con una segunda curvatura. Los signos de la primera curvatura y de la segunda curvatura son además diferentes. Aguas abajo de la segunda sección de curvatura B se adjunta en el segundo punto de inflexión 38 una tercera sección de curvatura C, cuya curvatura presenta de nuevo otro signo que la segunda curvatura. Mediante los diversos signos de las curvaturas de las secciones de curvatura A, B, C, también el contorno

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lateral de succión 42 y el contorno lateral de compresión 40 presentan correspondientes secciones de curvatura: el contorno lateral de succión 42 principalmente convexo muestra una configuración cóncava en una sección D entre un 35% y un 50% de la longitud de cuerda relativa. El contorno lateral de compresión 40 principalmente cóncavo muestra una sección E convexa. Frente a las formas de perfil hasta ahora conocidas en el estado actual de la técnica para álabes de compresor de compresores axiales, esta sección de contorno lateral de succión D cóncava y sección de contorno lateral de compresión E convexa conllevan un perfilado localmente acodado, designado aquí como pandeo del perfil.

Se prevé además que el primero de ambos puntos de inflexión 36, con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil, defina sobre esta un primer punto de proyección AP, que dista del punto del borde de ataque 24 entre un 10 % y un 30% de la longitud de la cuerda del perfil 34 y donde el segundo de ambos puntos de inflexión 38, con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil 34, defina sobre esta un segundo punto de proyección BP, que dista del punto del borde de ataque 24 entre un 30% y un 50% de la longitud de la cuerda del perfil 34. Además, de la FIG 1 se deduce que, el perfil del lado de la punta del álabe 30 presenta, frente al perfil convencional 28, un borde de ataque 18 desplazado hacia delante hacia el flujo de gas afluente. El borde de ataque 18 desplazado hacia delante del perfil del lado de la punta del álabe 30 puede reconocerse especialmente en las vistas en perspectiva conformes a las FIG 9 y FIG 10.

Se prevé además que la línea media 32 de los perfiles 30 del lado de la punta del álabe tengan en una sección posterior G una curvatura mayor que las secciones posteriores de las líneas medias de los demás perfiles 28 de la hoja de álabe 12. La sección posterior G de la línea media 32 se extiende desde el punto de inicio de sección GA hasta el punto del borde de salida 26 de la línea media 32, cuyo punto de inicio de sección GA, con proyección sobre la cuerda del perfil 34, defina sobre esta un punto de proyección GP, que dista del punto del borde de ataque 24 como máximo un 60 % de la longitud de la cuerda del perfil 34.

Además, de la FIG 1 se deduce que el perfil del lado de la punta del álabe 30 comprende una línea media 32 con una sección anterior H. La sección anterior H de la línea media 32 se extiende desde el punto del borde de ataque 24 hasta un punto de proyección HP de la línea media 32, dispuesto al 10% de la longitud de la cuerda de perfil. El punto de proyección HP origina además mediante la proyección un punto final HE de la sección anterior H perpendicularmente a la cuerda del perfil 34. En esta sección anterior H de la línea media 32, la línea media 32 es casi no curvada, es decir, casi recta. Similarmente, la distribución de grosores, aplicada de manera conocida perpendicularmente a la línea media 32 por ambas caras en igual medida, se selecciona aquí de forma que se defina la zona del borde de ataque en principio en forma de cuña para los perfiles del lado de la punta del álabe 30. Generalmente, en la sección anterior H de los perfiles del lado de la punta del álabe 30 es simétricamente deseable una evolución simétrica del contorno lateral de succión 42 y del contorno lateral de compresión 40.

En la FIG 2 se contrastan las distribuciones de velocidad a lo largo del perfil del lado de la punta del álabe 30 y a lo largo del perfil convencional 28, tanto para la corriente lateral de succión como también para la corriente del lado de compresión. Cada distribución de velocidad se proporciona además a lo largo de la cuerda del perfil x/c normalizada. Las velocidades se indican además en números de Mach, significando Mach = 1 la velocidad del sonido para una temperatura dada. La distribución de velocidades se contrastó además a la altura de la hoja de álabe de los álabes de compresor, que dista de la punta de hoja de álabe 22 un 0,5% de la medida de la hendidura de una separación radial entre la punta de hoja de álabe 22 y la pared anular del compresor axial que la rodea. en las FIG 2, FIG 3 y FIG 6 se representan en línea discontinua las distribuciones de velocidad 48, 50 de un perfil convencional 28 para la pared lateral de succión 16 y la pared lateral de compresión 14. Las distribuciones de velocidad 44, 46 para la pared lateral de succión 16 y la pared lateral de compresión 14 del perfil del lado de la punta del álabe 30 se representan en línea continua. La línea inferior representa, en cada caso, la distribución de velocidades para el correspondiente lado de compresión, la línea superior representa, en cada caso, la distribución de velocidades para el correspondiente lado de succión. La distribución de velocidades del lado de succión para el perfil del lado de la punta del álabe 30 se designa con 44; la distribución de velocidades del lado de compresión para el perfil del lado de la punta del álabe 30 se designa con 46; la distribución de velocidades del lado de succión para el perfil convencional 28 con 48 y la distribución de velocidades del lado de compresión para el perfil convencional 28 con

50. Cuanto mayor sea la distancia entre la evolución de la distribución de velocidades del lado de succión 44, 48 y la distribución de velocidades del lado de compresión 46, 50 para cada posición de la cuerda del perfil 34 normalizada, tanto mayor será la diferencia de presiones y, por consiguiente, la carga en la respectiva posición considerada de la cuerda del perfil del respectivo perfil considerado 28, 30. De la FIG 2 se infiere que, con ayuda de la zona de puntas de hoja de álabe 43 modificada conforme a la invención, la hoja de álabe 12 se descarga en la mitad anterior, es decir, particularmente en el primer 15% de la cuerda del perfil 34, visto desde el punto del borde de ataque 24.

Como resultado de las distribuciones de velocidad ajustables 44, 46 aparece una mayor carga en la sección posterior G del perfil del lado de la punta del álabe 30, la superficie entre la distribución de velocidades del lado de succión 44 y la distribución de velocidades del lado de compresión 46 para una sección posterior de perfil 60% de la cuerda del perfil es del 34 al 100% de la cuerda del perfil 34 es mayor que la correspondiente superficie entre las correspondiente distribuciones de velocidad 48, 50 del perfil convencional 28 conocido en el estado actual de la técnica. Como el perfil convencional 28 se prevé para las zonas que no son del lado de la punta del álabe del álabe

15

25

35

45

55

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móvil de compresor 10, aparece, por consiguiente, a lo largo de la altura de la hoja de álabe un cambio de la carga de la sección anterior ("Front-Loaded-Design") a la sección posterior de la hoja de álabe ("Aft-Loaded-Design"). Característico es que la forma del perfil de la hoja de álabe 12 del lado de la punta del álabe se seleccione de forma que el incremento de velocidad hasta una velocidad máxima se alcance en un punto máximo a aprox. un 20% de la longitud de la cuerda del perfil 34 en una sección de cuerda del perfil lo más corta posible. Además, es deseable, en el 15% de la cuerda del perfil 34 consecutivo al punto máximo, una disminución comparativamente grande de la velocidad de flujo del gas del lado de succión en una sección de cuerda del perfil lo más corta posible. Particularmente esta evolución de la velocidad a lo largo de la pared lateral de succión 16 conlleva que la turbulencia en las holguras responsable de las pérdidas en las holguras se produzca comparativamente con mucha más energía, con lo que, como resultado de la gran regresión de velocidad tras alcanzar la velocidad máxima, sin embargo sólo se alimente esa turbulencia, comparativamente con poca energía, lo que debilita la pérdida entonces aún más. Esto conlleva en conjunto pérdidas reducidas en las separaciones radiales.

Las ilustraciones 3 a 8 presentan otra panorámica general de los efectos resultantes del pandeo del perfil. En las FIG 3 y FIG 6 se representa de nuevo la distribución de números de Mach del perfil convencional 28 y del perfil del lado de la punta del álabe 30 de la longitud relativa de la cuerda del perfil. La FIG 4 describe el perfil del lado de la punta del álabe 30 en el sistema de coordenadas no escalonado m’-theta. La Figura inferior, FIG 5, muestra una curvatura 52 del contorno lateral de succión 42 y una curvatura 54 del contorno lateral de compresión 40 de las coordenadas m’. Puede observarse claramente que en la zona de un pandeo del lado de compresión 56 se produce un mayor incremento de la diferencia de números de Mach y, por consiguiente, del potencial de presión entre el contorno lateral de succión 42 y el contorno lateral de compresión 40.

La FIG 7 muestra la densidad del flujo másico que circula ortogonalmente a la cuerda del perfil 34 a través de la separación radial, relativa a la superficie local considerada. La densidad del flujo másico para un perfil convencional 28 se designa con 58, la del perfil del lado de la punta del álabe 30 con 60. Para el perfil del lado de la punta del álabe 30 se ve una relación más clara entre el incremento del potencial de presión y el incremento de la densidad de flujo másico en la separación radial. La densidad de flujo másico en la separación radial alcanza además su máximo global poco después del pandeo del perfil definido. El máximo global de la densidad de flujo másico para el perfil del lado de la punta del álabe 30 es mayor que en el caso convencional. La disminución de la densidad del flujo másico en la separación radial tras su máximo es asimismo mayor que en el perfilado convencional 28.

La FIG 8 muestra la topología de las trayectorias de la turbulencia en las holguras (líneas de turbulencia en las holguras) para ambos perfiles 28, 30. La línea de turbulencia en las holguras para el perfil convencional 28 se designa con 62, la línea de turbulencia en las holguras para el perfil del lado de la punta del álabe con 64. Relativamente al borde de ataque 18, la turbulencia en las holguras se produce claramente más tarde en el caso del perfil del lado de la punta del álabe 30 -relativo a la longitud de cuerda relativa del perfil en cuestión -y pandea entonces la pared lateral de succión 16 con un ángulo mayor que en el caso del perfilado convencional 28. El temprano pandeo de la turbulencia en las holguras coincide con el fuerte incremento de la densidad de flujo másico hasta su máximo y la subsiguiente reducción de la misma. El mayor ángulo se debe al mayor gradiente tanto en el incremento como también en la reducción de la densidad de flujo másico. La formación posterior relativa al perfil convencional 28 de la turbulencia en las holguras se puede explicar mediante la baja carga del perfil mejorado 30 en el borde de ataque 18.

Como resultado de la descarga de la punta de hoja de álabe 22 en la zona del borde de ataque, se retrasa espacialmente la formación de la turbulencia en las holguras. A continuación sigue en la zona del pandeo del perfil del lado de succión un incremento más intenso del flujo másico en las holguras, que impulsa a la turbulencia a las holguras y aleja la pared lateral de succión 16 del perfil del lado de la punta del álabe 30. En la zona tras el pandeo del perfil del lado de succión, se reduce la densidad de flujo másico en la separación radial de manera considerablemente más intensa que en el perfilado convencional 28. En conjunto se origina un menor flujo másico en las holguras. La línea de turbulencia en las holguras se pandea tras el pandeo del perfil del lado de succión con un ángulo de la pared lateral de succión 16 mayor que en el perfilado convencional 28. De este modo se aleja espacialmente hacia adelante la turbulencia en las holguras a una distancia de la pared lateral de succión 16 mayor que en el perfilado convencional 28. En conjunto, en el perfilado modificado 30, por consiguiente, el flujo en las holguras originará menos pérdidas en la separación radial y un menor bloqueo del campo de flujo hacia la salida de la fila de álabes móviles. Para, a pesar de la descarga del perfil 30 en la mitad anterior de la cuerda del perfil 34, alcanzar aún así una alta ejecución de eficiencia, se elevará la carga mediante una mayor curvatura del perfil 30 en el 40% posterior de la cuerda de perfil 34.

Se prefiere especialmente la forma de ejecución, en la que se combinan el desplazamiento de la carga de la parte anterior hacia la posterior mediante la distribución de curvatura especial del nuevo perfil 30 localizada a aproximadamente un 20% de la cuerda del perfil 34.

Particularmente los álabes de compresor indicados en la siguiente Tabla, cuyos demás perfiles corresponden sustancialmente a la forma de perfil 28 representada en la FIG 1, se han confirmado como especialmente efectivos.

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Tabla 1:

Parámetro:: Álabe 1 Álabe 2

Situación del primer punto de inflexión (AP) de la línea media [% de la longitud de la cuerda del perfil]: 28 18

Situación del segundo punto de inflexión (BP) de la línea media [[% de la longitud de la cuerda del perfil]: 49 47

Longitud del borde de ataque no curvado [% de la longitud de la cuerda del perfil]: 10 5

Ángulo de incidencia del perfil del lado de la punta del álabe [Grado]: 5 7

Ángulo de incidencia de los demás perfiles [Grado]: 25 25

Situación del punto de inicio de sección GA [% de la longitud de la cuerda del perfil]: 51 53

Curvatura del perfil del lado de la punta del álabe en la sección posterior []: 1/ (2* longitud de la cuerda del perfil) 2/ longitud de la cuerda del perfil

Curvatura de los demás perfiles en la sección posterior[]: 1/ (10* longitud de la cuerda del perfil) 1/ (10* longitud de la cuerda del perfil)

Longitud de la zona del lado de la punta del álabe [% de la envergadura]: 20 10

Situación de la velocidad máxima del lado de succión, del lado de la punta del álabe [% de la longitud de la cuerda del perfil]: 20 10

Longitud del gradiente máximo de la distribución de velocidades del lado de succión aguas abajo del punto de velocidad máxima [% de la longitud de la cuerda del perfil]: 10 10

En conjunto, la invención se relaciona, por consiguiente, con un álabe móvil de compresor 10 para compresores con

flujo axial preferentemente turbinas de gas fijas. La invención prevé que, para reducir pérdidas de huecos radiales, la

5 línea media 32 del perfil del lado de la punta del álabe 30 de la hoja de álabe 12 del álabe móvil de compresor 10

presenten al menos dos puntos de inflexión 36, 38. Mediante la presencia de dos puntos de inflexión 36, 38 resultan

para el contorno lateral de succión 42 en la sección del 35% al 50% de una sección del contorno lateral de succión

D, que se configura cóncava y para el contorno lateral de compresión 40 una sección del contorno lateral de

compresión E, que se conforma convexamente. Con ayuda de esta geometría es posible, generar turbulencia en las 10 holguras con menos pérdidas, para elevar el grado de efectividad total de un compresor axial con álabes de

compresor 10 instalados.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Álabe móvil de compresor (10) para un compresor axial, con una hoja de álabe curvada (12), que comprende una pared lateral de compresión (14) y una pared lateral de succión (16), que, por un lado, se extienden en cada caso desde un borde de ataque común (18) a un borde de salida común (20) y, por otro, forman una envergadura que se extiende desde un extremo lateral de sujeción de la hoja del álabe hasta una punta de la hoja del álabe (22), en donde para cada altura de la hoja de álabe existente a lo largo de la envergadura la hoja de álabe (12) tiene

•

un perfil (28, 30) con un contorno lateral de succión (42) y un contorno lateral de compresión (40),

•

una línea media al menos parcialmente curvada (32) y

•

una cuerda del perfil rectilíneo (34),

cuyos contornos (40, 42), línea media (32) y cuerda del perfil (34) se extienden, en cada caso, desde un punto del borde de ataque (24) hasta un punto del borde de salida (26),

caracterizado porque al menos alguna de las líneas medias (32) del perfil lateral de la punta de álabe (30) presenta al menos dos puntos de inflexión (36, 38).
2.

Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 1, en el que el primero de ambos puntos de inflexión (36) con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil (34) define un primer punto de proyección (AP) sobre la misma que está a una distancia del punto del borde de ataque (24) de entre un 10% y un 30% de la longitud de la cuerda del perfil (34), y en el que el segundo de ambos puntos de inflexión (38) con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil (34) define un segundo punto de proyección (AP) sobre la misma que está a una distancia del punto del borde de ataque (24) de entre un 30% y un 50% de la longitud de la cuerda del perfil (34).
3.

Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 1 ó 2, en que las líneas medias (32) incluyen una sección frontal (H), que se extiende desde el punto del borde de ataque (24) hasta un punto final de sección (HE), cuyo punto de proyección (HP) con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil (34) dista del punto del borde de ataque (24) entre un 2% y un 10% de la longitud de la cuerda del perfil (34), en donde al menos alguna de las secciones anteriores (H) del perfil lateral de la punta del álabe (30) presenta un radio de curvatura, mayor que 100veces la cuerda del perfil (34) .
4.

Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 3, en el que cada sección anterior (H) presenta un ángulo de incidencia respecto a una flujo de gas afluente, con lo que al menos alguno de los ángulos de incidencia del perfil lateral de la punta del álabe (30) será menor que el ángulo de incidencia de los demás perfiles (28) de la hoja de álabe (12).
5.

Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 4, en el que el ángulo de incidencia de la sección anterior

(H) del perfil lateral de la punta del álabe (30) es menor de 10°.
6.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 3 a 5, en donde el contorno lateral de succión (42) y el contorno lateral de compresión (40) de los perfiles laterales de punta de álabe (30) en la sección anterior (H) de la línea media (32) son simétricos.
7.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, en el que al menos uno de los puntos de borde de ataque (24) del perfil lateral de la punta del álabe (30) se dispone aguas arriba de los puntos del borde de ataque (24) de los demás perfiles (28) de la hoja del álabe (12).
8.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que solamente las líneas medias (32) de los perfiles (30) existentes en la zona de la punta de la hoja del álabe (22) presentan dos puntos de inflexión (36, 38).
9.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que las líneas medias (32) incluyen una sección posterior (G), que se extiende desde un punto de inicio de sección (GA) hasta el punto del borde de salida (26), en donde la sección posterior (G) de al menos algunas de las líneas medias (32) del lado de la punta del álabe presenta una curvatura mayor que las secciones posteriores de las líneas medias (32) de los demás perfiles de la hoja del álabe (12).
10.

Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 9, en el que el punto de inicio de sección (GA) con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil (34) define un punto de proyección (GP) dispuesto sobre la

10

cuerda del perfil (34), y que está a una distancia del punto del borde de ataque (24) de como máximo un 60% de la longitud de la cuerda del perfil (34).
11. Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el contorno lateral

de succión (42) y el contorno lateral de compresión (40) presentan perfiles laterales de punta de álabe (30) con, en 5 cada caso, al menos dos puntos de inflexión.
12.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la punta de hoja del álabe (22) está libre.
13.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que al menos alguno de

los perfiles laterales de punta de álabe (30) se configuran en "Aft-Loaded-Design" y los demás perfiles (28) en 10 "Front-Loaded-Design".
14.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el lado de la punta del álabe comprende una zona (43) de cómo máximo el 20% de la envergadura de la punta de la hoja del álabe (22).
15.

Álabe móvil de compresor (10) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 14, en donde a lo largo del contorno lateral de succión (42) desde el punto del borde de ataque (24) al punto del borde de salida (26) durante el

15 flujo circular de un gas, se establece una distribución de velocidades (44) del gas, seleccionándose al menos alguno de los perfiles laterales de punta de álabe (30), de forma que en un punto máximo aparezca un máximo de velocidad, cuyo punto de proyección con proyección perpendicular sobre la cuerda del perfil (34) se encuentra a una distancia del punto del borde de ataque (24) de entre un 10% y un 30% de la longitud de la cuerda del perfil (34).
16. Álabe móvil de compresor (10) según la reivindicación 15, en el que se seleccionan los perfiles (30) respectivos,

20 de forma que en una sección lateral de succión subsiguiente al punto máximo del contorno lateral de succión (42) con una longitud de como máximo un 15% de la longitud de la cuerda del perfil (34), se establece un gradiente de velocidad, cuya pendiente es máxima.
17. Compresor axial con un rotor, en cuyo perímetro externo se conforma al menos una corona de álabes móviles con álabes de compresor (10), según al menos una de las reivindicaciones 1 a 16.

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