ES2573335T3 - Impulsor de compresor centrífugo - Google Patents

Abstract

Impulsor (201) de compresor centrífugo (3) que comprende un plato (202) y álabes (205) solidarios del plato (202) en una cara delantera (203) del plato (202), teniendo cada uno un pie de álabe (215), una cabeza de álabe (216), un borde de ataque (206) y un borde de fuga (207), estando caracterizado el impulsor (201) por que un punto de intersección del borde de fuga (207) y del pie de álabe (215) está más adelantado al menos un semiespesor de plato (202) que el pie de álabe (215) en un diámetro intermedio (Di) del impulsor (201), y un punto de intersección del borde de fuga (207) y de la cabeza de álabe (216) está también más adelantado que la cabeza de álabe (216) en un diámetro intermedio (Di) del impulsor (201).

Description

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DESCRIPCION

Impulsor de compresor centrlfugo Antecedentes de la invencion

La presente invencion concierne al ambito de los compresores centrlfugos.

La invencion concierne de modo mas particular a un impulsor de compresor centrlfugo que comprende un plato y alabes solidarios del plato en una cara delantera del plato, teniendo cada uno un borde de ataque y un borde de fuga, as! como a un compresor centrlfugo que comprenda dicho impulsor, y a una turbomaquina que comprenda tal compresor centrlfugo. Se entiende por turbomaquina, en este contexto, maquinas tales como por ejemplo, turborreactores de simple o doble flujo, turbopropulsores, turbomotores y/o turbcompresores.

En la descripcion que sigue los terminos « aguas arriba » y « aguas abajo » son definidos con respecto al sentido de flujo normal de fluido a traves del compresor. Los terminos « delante », « detras », «axial » y « radial » son definidos con respecto al eje de rotacion del impulsor.

Un compresor centrlfugo comprende normalmente una parte fija y una parte giratoria denominada impulsor y que comprende los alabes giratorios del compresor. En funcionamiento, el impulsor gira tlpicamente a una velocidad elevada. Este por tanto esta sometido a tensiones de orden centrlfugo.

La forma del impulsor de un compresor centrlfugo viene impuesta por el flujo del fluido a traves del compresor. Tlpicamente, en un compresor centrlfugo de este tipo, el fluido entra en el compresor en una direccion sensiblemente axial, es decir paralela al eje de rotacion del impulsor. La vena y los alabes giratorios dirigen el fluido radialmente hacia el exterior, de tal manera que el fluido abandona el impulsor en una direccion sensiblemente ortogonal al eje de rotacion del impulsor. Los alabes tienen as! bordes de ataque sensiblemente radiales y bordes de fuga sensiblemente axiales, mas alejados del eje de rotacion del impulsor en direccion radial y situados axialmente detras de los bordes de ataque.

El plato solidariza los alabes giratorios entre si y con el arbol del compresor. Para esto, cada uno de los alabes es solidario del plato y esta situado en una cara delantera de este plato. El plato sirve tambien para delimitar el pie de la vena de flujo del fluido a traves del impulsor. As! este es normalmente asimetrico y esta curvado progresivamente hacia el exterior en la direccion axial. Por esta forma del plato y de los alabes, la aceleracion centrlfuga genera un par de flexion sobre el impulsor que tiende a flexionar la periferia del impulsor hacia delante. Este par de flexion aumenta de manera continua de la periferia del impulsor hacia la conexion del plato con el arbol del compresor, y obliga a mantener holguras importantes a regimen parcial que penalizan las prestaciones de la maquina. A fin de resistir este par, se ha propuesto tlpicamente reforzar el plato y los medios de fijacion del impulsor al arbol giratorio. Sin embargo, reforzar de tal manera las partes giratorias de un impulsor de compresor impone una penalidad de masa muy importante, porque la masa que se anadira en la proximidad de la vena de aire necesitara por otra parte un aumento del anima del impulsor.

Con el fin de evitar este inconveniente, se ha propuesto, en la patente US 4.060.337, suprimir en gran parte el plato del impulsor y unir los alabes unicamente en la base y en la periferia. Sin embargo, este compresor padece de una disminucion importante de las prestaciones aerodinamicas del impulsor por circulation del intrados al extrados de cada alabe.

En la solicitud de patente britanica GB 2472621 A, se ha propuesto unir el impulsor al arbol giratorio a traves de dos llantas con un desplazamiento axial a fin de limitar la presencia de material en el impulsor unicamente en las zonas funcionales. La solicitud de patente americana US 2010/0098546 A1 propone hacer el plato del impulsor hueco en su periferia, de manera que la masa de la periferia del impulsor sea limitada y este situada de modo optimo, lo que permite optimizar el compresor. Sin embargo, las reducciones de masa que pueden obtenerse de estas dos maneras estan penalizadas por la dificultad de fabrication de la pieza final monobloque.

La patente alemana DE 906 975 propone un impulsor cuyo plato esta mas adelantado en direccion axial en la periferia que en un diametro intermedio del impulsor. Sin embargo, este impulsor necesita tambien un plato de refuerzo fijado a las cabezas de alabe, a fin de restringir la deformation de la periferia del impulsor en direccion axial, lo que puede ser diflcil de adaptar a un compresor existente o a una turbomaquina en el ambito aeronautico, en el cual la restriction de las masas es una de las principales prioridades. La solicitud de patente americana US 2007/0077147 A1 y la patente britanica GB 553.747 ilustran otros impulsores de platos adelantados en la periferia, pero que sin embargo no son propuestos para resolver el problema de la deformacion axial del impulsor a reglmenes elevados.

Objeto y resumen de la invencion

La presente invencion esta destinada a poner remedio a estos inconvenientes. De acuerdo con un primer aspecto, un punto de intersection del borde de fuga y del pie del alabe esta mas adelantado que el pie de alabe en un diametro intermedio del impulsor. En particular, este puede estar mas adelantado al menos un semiespesor de plato. Ademas, un punto de interseccion del borde de fuga y de la cabeza de alabe esta tambien mas adelantado que la cabeza de alabe en un diametro intermedio del impulsor. De esta manera, el par de flexion en la periferia del impulsor se invierte, y su

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valor absoluto maximo se reduce, lo que limita las deformaciones del impulsor en direccion axial, al tiempo que mantiene un buen rendimiento aerodinamico.

De acuerdo con un segundo aspecto, en la periferia del impulsor, la cara delantera esta orientada en direccion sensiblemente radial. Se obtiene as! una rectificacion del flujo del fluido a la salida del impulsor que permite la utilizacion de un difusor radial clasico aguas abajo del impulsor.

De acuerdo con un tercer aspecto, el impulsor comprende ademas una llanta unida a una cara trasera del plato y apta par ser fijada al arbol giratorio. En particular, la llanta puede comprender un vastago de fijacion radial. Puede obtenerse as! una fijacion eficaz y comparativamente ligera del impulsor al arbol giratorio del compresor.

De acuerdo con un cuarto aspecto, el compresor centrlfugo comprende ademas una tapa que recubre los alabes de manera que delimita, con el plato, una vena de fluido entre los bordes de ataque y los bordes de fuga de los alabes. Las perdidas aerodinamicas del compresor centrlfugo pueden reducirse as! sensiblemente limitando de esta manera un rebosamiento del fluido del intrados al extrados de cada alabe. En particular, la tapa puede comprender entonces al menos un punto de fijacion mas proximo a los bordes de fuga de los alabes del impulsor que a los bordes de ataque de los alabes del impulsor. Como el desplazamiento axial de la periferia radial del impulsor a regimen elevado puede ser limitado por la no biyectividad en direccion axial de la curva formada por la cara delantera del plato, la fijacion axial de la tapa puede estar situada mas proxima a la periferia del impulsor, lo que permite limitar la holgura entre la tapa y los alabes del impulsor en la periferia del impulsor en reglmenes parciales y as! aumentar el rendimiento aerodinamico. Alternativamente, la tapa puede ser solidaria de los alabes, de manera que formen un impulsor embridado.

Breve descripcion de los dibujos

La invencion sera comprendida bien y sus ventajas se pondran de manifiesto mejor, con la lectura de la descripcion detallada que sigue, de modos de realizacion representados a tltulo de ejemplos no limitativos. La descripcion se refiere a los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 es un corte longitudinal esquematico de una turbomaquina que comprende un compresor centrlfugo;

- la figura 2 es un corte longitudinal de un impulsor de compresor centrlfugo de la tecnica anterior;

- la figura 3 es un corte longitudinal de un compresor centrlfugo de acuerdo con un primer modo de realizacion de la invencion;

- la figura 4 es un corte longitudinal de un impulsor de compresor centrlfugo de acuerdo con un segundo modo de realizacion de la invencion.

Descripcion detallada de la invencion

Una turbomaquina, de modo mas especlfico en forma de un turbomotor 1, esta ilustrada esquematicamente a tltulo explicativo en la figura 1. Este turbomotor 1 comprende, en el sentido de flujo de un fluido de trabajo, un compresor axial 2, un compresor centrlfugo 3, una camara de combustion 4, una primera turbina axial 5, y una segunda turbina axial 6. Ademas, el turbomotor 1 comprende tambien un primer arbol giratorio 7 y un segundo arbol giratorio 8 coaxial con el primer arbol giratorio 7.

El segundo arbol giratorio 8 une el compresor axial 2 y el compresor centrlfugo 3 a la primera turbina axial 5, de manera que la expansion del fluido de trabajo en esta primera turbina axial 5 aguas abajo de la camara de combustion 4 sirve para accionar los compresores 2 y 3 aguas arriba de la camara de combustion 4. El primer arbol giratorio 7 une la segunda turbina axial 6 a una salida de potencia 9 situada aguas abajo y/o aguas arriba de la maquina, de tal manera que la expansion subsiguiente del fluido de trabajo en la segunda turbina axial 6 aguas abajo de la primera turbina axial 5 sirve para accionar la salida de potencia 9.

Asl, las compresiones consecutivas del fluido de trabajo en los compresores axial 2 y centrlfugo 3, seguidas de un recalentamiento del fluido de trabajo en la camara de combustion 4, y su expansion en la segunda turbina axial 6 permiten la conversion de una parte de la energla termica introducida por la combustion en la camara de combustion 4 en trabajo mecanico extraldo por la salida de potencia 9. En la turbomaquina ilustrada, el fluido motor es aire, al cual se anade y en el cual se quema un carburante en la camara de combustion 4, carburante tal como, por ejemplo, un hidrocarburo.

En funcionamiento, los arboles giratorios 7 y 8 giran a velocidades del orden de 5000 a 60000 vueltas por minuto. Las partes giratorias de los compresores 2 y 3 y de las turbinas 5 y 6 estan sometidas por tanto a esfuerzos importantes por las fuerzas centrifugas. Volviendo ahora a la figura 2, se puede apreciar como actuan estas fuerzas centrlfugas sobre el impulsor 101 de un compresor centrlfugo clasico conocido por el especialista en la materia. Este impulsor 101 comprende un plato 102 sensiblemente asimetrico y que presenta una cara delantera 103 y una cara trasera 104. Los alabes 105 estan fijados por los pies de alabe 115 a la cara delantera 103 del plato 102. Cada alabe 105 presenta tambien una cabeza de alabe 116 opuesta al pie de alabe 115, un borde de ataque 106 con una orientacion sensiblemente radial y un borde de fuga 107 con una orientacion sensiblemente axial, situado radialmente al exterior y

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axialmente detras del borde de ataque 106. As! pues, en funcionamiento, el fluido de trabajo es aspirado por el frente 108 de impulsor 101 y dirigido por los alabes 105 hacia la periferia 109 del impulsor 101, segun una vena de fluido definida en el interior por el plato 102 y en el exterior por una tapa no giratoria 110 del compresor centrlfugo proxima a las cabezas de alabe 116.

En su cara trasera, el plato 102 es solidario de una llanta 111 con un vastago de fijacion al arbol giratorio. La llanta 111 y el vastago definen as! un plano A de transmision de los esfuerzos radiales del impulsor 101 al arbol giratorio. A causa de las altas velocidades de rotacion del impulsor 101, las fuerzas centrlfugas ejercidas sobre el impulsor 101 representan una parte preponderante de estos esfuerzos radiales. Sin embargo, como la fuerza centrifuga Fc es proporcional al cuadrado de la velocidad angular de rotacion w multiplicada por la distancia al eje de rotacion X del impulsor 101, segun la formula w2r, las fuerzas centrlfugas ejercidas sobre la periferia 109 del impulsor 101 seran preponderantes. Asl, en el impulsor 101 clasico ilustrado, las fuerzas centrlfugas Fc que actuan sobre la periferia 109 del impulsor 101 crearan un par de flexion Mf en el impulsor 101 que tiende a bascular la periferia 109 del impulsor 101 hacia delante. Este par de flexion Mf aumenta continuamente de la periferia 109 del impulsor 101 a la union del plato 102 con la llanta 111. A fin de limitar la flexion del impulsor 101, el plato 102, la llanta 111 y el vastago deben ser reforzados, lo que se traduce en un aumento considerable de la masa total del impulsor 101. Ademas, para acomodar el desplazamiento hacia la parte delantera de la periferia 109 del impulsor 101, es necesario normalmente disponer en la periferia del impulsor 101 una holgura importante dp a regimen parcial entre las cabezas de alabe 105b y la tapa 110, lo que se traduce en perdidas aerodinamicas importantes, o incluso disponer estructuras de fijacion de la tapa 110 bastante complejas, a fin de inducir un desplazamiento de la tapa 110 hacia delante durante un aumento de regimen del compresor.

La figura 3 muestra el compresor centrlfugo 3 con un impulsor 201 de acuerdo con un primer modo de realizacion de la invencion. Este impulsor 201 comprende tambien un plato 202 sensiblemente asimetrico y que presenta una cara delantera 203 y una cara trasera 204. Como en el impulsor ilustrado en la figura 2, los alabes 205 estan fijados por los pies de alabe 215 a la cara delantera 203 del plato 202 y presentan cada uno tambien una cabeza de alabe 216 opuesta al pie de alabe 215, un borde de ataque 206 con una orientacion sensiblemente radial y un borde de fuga 207 con una orientacion sensiblemente axial, situado radialmente al exterior y axialmente detras del borde de ataque 206. Alrededor de la periferia del impulsor 201, el compresor 3 comprende un difusor radial 212 clasico con alabes de rectificacion 213. Asl pues, en funcionamiento, el fluido de trabajo es aspirado tambien por el frente 208 del impulsor 201 y dirigido por los alabes 205 hacia la periferia 209 del impulsor 201, segun una vena de fluido definida en el interior por el plato 202 y en el exterior por la tapa no giratoria 210, para llegar al difusor radial 212.

En su cara trasera, el plato 202 es tambien solidario de una llanta 211 con un vastago de fijacion al arbol giratorio. Sin embargo, en este impulsor 201, el plato 202 esta curvado de manera que a partir de un diametro intermedio Di un segmento periferico del plato 202 esta inclinado hacia delante, presentando una cara delantera 203 concava. Asl, en la periferia 209 del impulsor 201, esta cara delantera 203 esta adelantada una distancia L con respecto al diametro intermedio Di. Esta distancia L es sustancial, y en particular la misma es superior a la mitad del espesor d del plato 202 en la periferia 209 del impulsor 201. En consecuencia, en un segmento periferico 202c vuelto hacia delante, los esfuerzos centrlfugos Fc generan un par de flexion Mf que tiende a flexionar este segmento periferico 202c, no hacia delante, sino en sentido puesto, hacia atras. El modulo de este par de flexion Mf aumenta a partir de la periferia 209 hasta el diametro intermedio Di, donde alcanza un maximo local. A continuacion, el mismo disminuye sin embargo hasta eventualmente invertirse el sentido del par de flexion Mf. De esta manera, como el par de flexion Mf no aumenta continuamente de la periferia 209 a la union del plato 202 con la llanta 211, el mismo alcanza niveles sensiblemente menores que en el impulsor 101 del estado de la tecnica, permitiendo asl la utilizacion de una llanta 211 y un vastago de fijacion mas ligeros. Ademas, como el desplazamiento axial de la periferia 209 del impulsor 201 es reducido, la holgura dp entre la corona de los alabes 205 en la periferia del impulsor 201 y la tapa 210 puede ser tambien reducida, y esta tapa 210 puede quedar fijada de manera comparativamente rlgida a un punto de fijacion 214 mas proximo a la parte trasera de la tapa 210 y por tanto a los bordes de fuga 207 que a la parte delantera de la tapa 210 y a los bordes de ataque 206.

Una ventaja adicional reside en el volumen axial reducido del impulsor 201, y en particular en la distancia axial reducida entre la entrada del fluido de trabajo al frente del impulsor 201 y su salida en la periferia 209 de impulsor 201. En particular, en una turbomaquina tal como el turbomotor 1 ilustrado en la figura 1, esto permite adelantar sensiblemente los elementos aguas abajo del compresor, es decir, en el modo de realizacion ilustrado, las partes calientes como la camara de combustion 4, y la primera y segunda turbinas axiales 5 y 6, para asl reducir el volumen axial global de la turbomaquina.

En el modo de realizacion ilustrado en la figura 3, el borde exterior del segmento periferico 202c del plato 202 esta curvado de manera que la cara delantera 203 del plato 202 se reorienta en direction radial, y asl se rectifica la vena de fluido en direccion radial para poder utilizar el difusor radial 212 clasico ilustrado. Sin embargo, en un modo de realizacion alternativo, ilustrado en la figura 4, en la cual cada elemento equivalente recibe la misma cifra de referencia que en la figura 3, la vena de fluido no es rectificada en direccion radial, lo que permite facilitar la production del impulsor, aun cuando el difusor aguas abajo del impulsor debera ser adaptado.

Un compresor centrlfugo con un impulsor 201 tal como los ilustrados en las figuras 3 y 4 puede ser utilizado, entre otros, en turbomaquinas tales como el turbomotor 1 ilustrado en la figura 1, pero tambien en turborreactores de simple o doble flujo, turbopropulsores, turbomotores y/o turbocompresores. Por su masa reducida, sera particularmente ventajoso en

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una utilizacion aeronautica, tal como, por ejemplo, en la propulsion de aeronaves con pianos de sustentacion fijos y/o giratorios, con o sin piloto, mas ligeras o mas pesadas que el aire. Sin embargo, pueden ser consideradas otras aplicaciones no aeronauticas conocidas por el especialista en la materia, tales como, por ejemplo, la propulsion de vehlculos terrestres y/o marinos, incluso maquinas con cojln de aire, la generation electrica, las estaciones de bombeo, 5 y/u otras aplicaciones industriales. Tal compresor centrlfugo puede constituir la unica etapa de un sistema de compresion, o bien una o varias etapas de un sistema de compresion de varias etapas, axiales, mixtas o centrlfugas, es decir que comprendan al menos una etapa centrlfuga y una etapa axial o una etapa mixta.

Aunque la presente invention haya sido descrita refiriendose a ejemplos de realization especlficos, es evidente que en estos ejemplos pueden efectuarse diferentes modificaciones y cambios sin salirse del alcance general de la invencion tal 10 como es definida por las reivindicaciones. En particular, caracterlsticas individuales de los diferentes modos de realizacion ilustrados pueden ser combinadas en modos de realizacion adicionales. Por consiguiente, la description y los dibujos deben ser considerados en un sentido ilustrativo mas bien que restrictivo.

Claims (9)

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   REIVINDICACIONES

   1. Impulsor (201) de compresor centrlfugo (3) que comprende un plato (202) y alabes (205) solidarios del plato (202) en una cara delantera (203) del plato (202), teniendo cada uno un pie de alabe (215), una cabeza de alabe (216), un borde de ataque (206) y un borde de fuga (207), estando caracterizado el impulsor (201) por que un punto de interseccion del borde de fuga (207) y del pie de alabe (215) esta mas adelantado al menos un semiespesor de plato (202) que el pie de alabe (215) en un diametro intermedio (Di) del impulsor (201), y un punto de interseccion del borde de fuga (207) y de la cabeza de alabe (216) esta tambien mas adelantado que la cabeza de alabe (216) en un diametro intermedio (Di) del impulsor (201).
2. 2. Impulsor (201) de compresor centrlfugo (3) de acuerdo con la reivindicacion 1, en el cual, en una periferia (209) del impulsor (201), el pie de alabe (215) esta orientado en direccion sensiblemente radial.
3. 3. Impulsor (201) de compresor centrlfugo (3) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademas una llanta (211) unida a una cara trasera (204) del plato (202) y apta para ser fijada a un arbol giratorio.
4. 4. Impulsor (201) de compresor centrlfugo (3) de acuerdo con la reivindicacion 3, en el cual la llanta (211) comprende un vastago de fijacion radial.
5. 5. Compresor centrlfugo (3) que comprende un impulsor (201) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
6. 6. Compresor centrlfugo (3) de acuerdo con la reivindicacion 5, que comprende ademas una tapa (210) que recubre los alabes (205) de manera que delimita, con el plato (202), una vena de fluido entre los bordes de ataque (206) y los bordes de fuga (207) de los alabes (205).
7. 7. Compresor centrlfugo (3) de acuerdo con la reivindicacion 6, en el cual la tapa (210) comprende al menos un punto de fijacion (214) mas proximo a los bordes de fuga (207) de los alabes (205) del impulsor (201) que a los bordes de ataque (206) de los alabes (205) del impulsor (201).
8. 8. Compresor centrlfugo (3) de acuerdo con la reivindicacion 6, en el cual la tapa es solidaria de los alabes (205).
9. 9. Turbomaquina que comprende un compresor centrlfugo (3) de acuerdo con una malquiera de las reivindicaciones 5 a 8.