ES3060379T3 - Inducer for turbopump and turbopump - Google Patents

Abstract

Un inductor de turbobomba para estabilizar las bolsas de cavitación que se producen en los álabes del inductor, el inductor tiene una pluralidad de álabes (10) dispuestos entre una carcasa interior y una carcasa exterior, cada álabe (10) tiene una superficie inferior y una superficie superior (20), la superficie superior (20) de al menos un álabe (10) tiene una porción recortada que se extiende sustancialmente desde el borde de ataque (22) del álabe (10) hasta una superficie escalonada (26) provista en la superficie superior (20). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Inductor para turbobomba y turbobomba

[0004] Sector de la técnica

[0005] La presente invención se refiere al campo de los inductores para turbobombas espaciales y a una turbobomba equipada con dicho inductor.

[0006] Antecedentes de la invención

[0007] Un inductor es una pieza del rotor de una turbobomba que sirve para aspirar el fluido en la bomba de la misma aguas arriba de la etapa o etapas de compresión para la rueda de álabes. Una turbobomba que presenta un inductor de este tipo se describe, por ejemplo, en la solicitud de patente FR2765639. El documento FR 2804730 A1 divulga otro ejemplo de inductor de turbobomba.

[0008] El funcionamiento de los inductores de turbobombas espaciales suele dar lugar a un ámbito de funcionamiento inestable en el que se producen fluctuaciones de esfuerzo en el inductor, debido al fenómeno de cavitación que se produce en dicho ámbito de funcionamiento. Estas fluctuaciones pueden perturbar el buen funcionamiento del árbol (dinámica del rotor) o aumentar el desgaste de los álabes del inductor.

[0009] Una solución que permite limitar las inestabilidades de cavitación en el inductor consiste en realizar un biselado del borde de ataque de los álabes del inductor. Este inductor permite estabilizar la zona de aparición de bolsas de cavitación que se forman en el extradós, en las que la caída de presión provoca la formación de burbujas.

[0010] Sin embargo, este bisel no permite estabilizar la extensión de estas bolsas en la dirección del flujo del fluido, lo que deja un grado de libertad a este. Por tanto, sigue existiendo una inestabilidad, creada por las oscilaciones de las bolsas de cavitación, que provoca un desequilibrio hidráulico en la turbobomba.

[0011] Por tanto, existe la necesidad de un inductor para turbobomba que permita estabilizar las bolsas de cavitación que aparecen en las palas del inductor.

[0012] Explicación de la invención

[0013] La presente divulgación se refiere a un inductor para turbobomba tal y como se define en la reivindicación 1, que comprende una pluralidad de palas dispuestas entre una carcasa interna y una carcasa externa, presentando cada pala un intradós y un extradós, presentando el extradós de al menos una pala un rebaje, extendiéndose el rebaje sustancialmente desde el borde de ataque de la pala hasta una superficie de marcha dispuesta en el extradós. Por extradós se entiende la superficie de la pala situada en el lado de llegada del fluido al inyector (cara superior cuando el fluido atraviesa el inyector de arriba a abajo). El rebaje corresponde a una zona del extradós. La presencia del rebaje en el extradós de la pala se caracteriza por el hecho de que, en lugar de tener un perfil tradicional, de sección normalmente no cóncava, el extradós de la pala presenta en sección, en un plano perpendicular al borde de ataque de la pala, una parte adelgazada, cóncava o esencialmente cóncava, formada en hueco con respecto a los perfiles tradicionales, y delimitada aguas abajo por una superficie denominada superficie de marcha. En otras palabras, el rebaje consiste en retirar, a partir de un perfil de pala tradicional, una capa de material sobre una superficie predeterminada de dicha pala. Por consiguiente, el extradós comprende una superficie de marcha, que corresponde al peralte existente entre la zona del extradós que presenta el rebaje y la zona del extradós que no presenta rebaje. El rebaje implica, por tanto, un cambio brusco en el perfil del extradós. Más concretamente, la superficie de marcha se presenta como un escalón, caracterizado por una pared sustancialmente vertical que une dos superficies sustancialmente horizontales, dispuestas a diferentes alturas entre sí. A modo de comparación, el biselado existente en el borde de ataque de las palas de algunos inductores, destinado a limitar las inestabilidades de cavitación, no constituye un rebaje ni una superficie de marcha. En efecto, en este caso, el grosor de la pala evoluciona progresivamente desde el extremo del bisel hasta el borde correspondiente a la tangente entre la superficie biselada y el resto de la pala. Por tanto, la evolución del grosor de la pala no es discontinua, sino progresiva. Por el contrario, la presencia de un rebaje implica una discontinuidad en el grosor de la pala, lo que se traduce en una evolución brusca de la misma.

[0014] Dicho rebaje se extiende sustancialmente desde el borde de ataque de la pala, correspondiente al extremo aguas arriba de la pala, hasta la superficie de marcha. Por extremo aguas arriba o extremo aguas abajo de la pala se entienden los extremos en una dirección circunferencial y según el sentido normal de circulación del fluido en el inductor.

[0015] La posición de la superficie de marcha en el extradós de la pala se determina, por ejemplo, mediante pruebas experimentales previas realizadas sin rebajes, que permiten estudiar la forma de las bolsas de cavitación que se forman en el extradós de la pala. Preferiblemente, la forma global del rebaje y, por tanto, la posición de la superficie de marcha, en una vista según un eje de rotación del inductor, se corresponde sustancialmente con la forma de las bolsas de cavitación, según esta misma vista, que se forman en el extradós. Por posición de la superficie de marcha se entiende su posición en el extradós de la pala, su forma y su radio de curvatura en una vista según el eje de rotación del inductor.

[0016] Así, cuando se forma una bolsa de cavitación en el extradós de una pala según la invención, ventajosamente, la bolsa, en la dirección circunferencial de la pala, está delimitada aguas arriba por el borde de ataque y aguas abajo por la superficie de marcha. Esta última permite así limitar o incluso eliminar los movimientos oscilatorios de las bolsas de cavitación, estabilizando así la dinámica del inductor, reduciendo así el desgaste de las palas del inductor y los desequilibrios hidráulicos que actúan sobre el árbol de la turbobomba.

[0017] El borde de ataque de dicha al menos una pala comprende una superficie biselada, cuyo rebaje se extiende desde un extremo aguas abajo de la superficie biselada hasta la superficie de marcha en el extradós.

[0018] La superficie biselada, que puede realizarse mediante mecanizado, es una superficie que está formada de manera que, en una vista en sección de la pala siguiendo un plano de corte paralelo al eje de rotación del inductor, el borde de ataque comprende localmente un segmento recto.

[0019] Esta forma de la superficie biselada y, por tanto, del borde de ataque de la pala, permite fijar la bolsa de cavitación que se forma a nivel de dicho borde de ataque. La longitud de la bolsa de cavitación queda así delimitada entre esta superficie biselada y la superficie de marcha.

[0020] En algunas realizaciones, el rebaje se extiende radialmente sobre todo o parte del borde de ataque de dicha al menos una pala.

[0021] En algunas realizaciones, el rebaje se extiende de manera radial sustancialmente desde un límite radialmente interno de dicha al menos una pala, en el lado de un eje central del inductor, en las proximidades del borde de ataque, hasta un extremo radialmente externo de dicha al menos una pala.

[0022] En algunas realizaciones, la superficie de marcha forma, en una vista según un eje del inductor, un arco de círculo con una concavidad dirigida hacia el centro del inductor.

[0023] En algunas realizaciones, la superficie de marcha, en una vista según un eje del inductor, presenta un radio de curvatura variable desde un límite radialmente interno de la pala del lado de un eje central del inductor hasta un extremo radialmente externo de la pala.

[0024] Según la invención reivindicada, el rebaje está delimitado por una superficie de fondo y la superficie de marcha. La superficie de fondo corresponde a la superficie del extradós en la que se ha realizado el rebaje y presenta una forma, en una vista según el eje de rotación del inductor, que corresponde a la forma de la bolsa de cavitación que se forma en el extradós cuando el inductor está en funcionamiento. La superficie de fondo tiene además una curvatura relativamente pequeña.

[0025] En algunas realizaciones, la superficie de fondo y la superficie de marcha están conectadas por un reborde de conexión.

[0026] Esto permite limitar las tensiones en la unión entre la superficie de fondo y de la superficie de marcha cuando el inductor está en funcionamiento.

[0027] Según la invención reivindicada, el extradós presenta una superficie aguas abajo de la superficie de marcha, y la superficie de marcha y la superficie aguas abajo están conectadas por un borde vivo.

[0028] Al igual que la superficie biselada en el borde de ataque, este borde vivo permite fijar el límite aguas abajo de la bolsa de cavitación, impidiendo que esta se extienda aguas abajo de la superficie de marcha. Por consiguiente, el extradós de la pala, que comprende una zona de fijación aguas arriba, en el borde de ataque, y una zona de fijación aguas abajo, a nivel de la superficie de marcha, las fluctuaciones de la bolsa de cavitación que se forman en el extradós se limitan, o incluso se eliminan, lo que permite reducir las inestabilidades dinámicas durante el funcionamiento del inductor y, por tanto, disminuir el desgaste de las palas del inductor.

[0029] En algunas realizaciones, el grosor de la pala a nivel de la superficie de fondo, a mitad de distancia entre el borde de ataque y la superficie de marcha, en una vista según un plano de corte paralelo a un eje del inductor, tiene un valor comprendido entre el 50 y el 80 % del grosor máximo de la pala, preferiblemente entre el 60 y el 70 %, y más preferiblemente aún entre el 65 y el 67 %.

[0030] Estos valores del grosor de la pala a nivel del rebaje permiten conservar la integridad mecánica de la pala durante el funcionamiento del inductor.

[0031] La presente divulgación también se refiere a una turbobomba que comprende el inductor definido anteriormente.Breve descripción de los dibujos

[0032] La invención y sus ventajas se comprenderán mejor tras la lectura de la descripción detallada que se ofrece a continuación de diferentes realizaciones de la invención, que se proporcionan a modo de ejemplos no limitativos. Esta descripción hace referencia a las páginas de figuras adjuntas, en las que:

[0033] - la figura 1A representa una vista en sección esquemática de un borde de ataque de pala sin rebaje, y la figura 1B representa una vista en sección esquemática de un borde de ataque de pala con rebaje.

[0034] - la figura 2A representa una vista en perspectiva de un inductor de turbobomba según la presente invención, y la figura 2B representa el inductor de la figura 2A, según la vista ampliada IIB.

[0035] - la figura 3 representa una vista esquemática del inductor de la presente invención según su eje de rotación.

[0036] - la figura 4 representa una vista en sección del inductor de la presente invención según la línea IV-IV de la figura 3. - la figura 5 representa una vista en sección de una turbobomba que comprende el inductor de la figura 2A.

[0037] Realización preferente de la invención

[0038] En la siguiente descripción, por aguas arriba y aguas abajo se entiende, según el sentido de rotación del inductor, que el borde de ataque de una pala se encuentra aguas arriba y el borde de salida aguas abajo.

[0039] La figura 1A representa una vista en sección esquemática de una parte de una pala 10 que comprende un borde 22 de ataque y un extradós 20, sin rebaje. La pala 10 es una pala del inductor 1 representado en las diferentes figuras. El borde 22 de ataque presenta una superficie 222 biselada, obtenida, por ejemplo, mecanizando el borde 22 de ataque, de modo que se obtiene una pala cuyo extremo 221 aguas arriba presenta un ángulo saliente.

[0040] Cuando la pala 10 está en movimiento, se puede formar una bolsa 30 de cavitación a nivel del borde 22 de ataque. Esta bolsa 30 de cavitación se fija en el ángulo saliente existente a nivel del borde 223 aguas arriba entre la superficie 222 biselada y el extradós 20 de la pala 10. Esta bolsa de cavitación se extiende entonces sobre una parte del extradós 20. Cuando la pala 10 está en movimiento, el extremo aguas abajo de esta bolsa 30 de cavitación tiende a fluctuar durante el funcionamiento de la turbobomba (flecha en la figura 1A).

[0041] La figura 1B representa una vista en sección esquemática de la parte de la pala 10, presentando esta vez un rebaje. El rebaje se realiza mediante la eliminación de material en el extradós 20, por ejemplo mediante mecanizado, en una longitud, en la dirección aguas arriba-aguas abajo, que corresponde sustancialmente a la longitud de la bolsa de cavitación que se forma en el extradós en ausencia de rebaje (figura 1A).

[0042] Debido a este rebaje, el extradós 20 de la pala 10 se divide en cuatro superficies: la superficie 222 biselada, una superficie 24 de fondo correspondiente a la zona del extradós que presenta el rebaje, una superficie 26 de marcha y una superficie 28 aguas abajo, correspondiente a la zona del extradós que no comprende el rebaje. La superficie 26 de marcha realiza la unión entre la superficie 24 de fondo (sombreado en la figura 3) y la superficie 28 aguas abajo, y permite compensar la variación de grosor de la pala 10 en esta zona, provocada por la eliminación de material. Así, cuando se forma la bolsa 30 de cavitación, su extremo aguas arriba se fija en el borde 223 aguas arriba, y su extremo aguas abajo se fija en el ángulo saliente existente a nivel del borde 261 entre la superficie 26 de marcha y la superficie 28 aguas abajo. Por consiguiente, cuando la pala 10 está en movimiento, la bolsa 30 de cavitación ve limitados sus movimientos, ya que su extremo aguas abajo ya no puede oscilar.

[0043] La figura 3 representa una vista esquemática de un inductor 1 según su eje de rotación, que presenta un rebaje en cada una de sus palas. El rebaje está delimitado por la superficie 24 de fondo, por el borde 223 aguas arriba y por el borde 261 aguas abajo.

[0044] El borde 223 aguas arriba, que corresponde al extremo aguas abajo de la superficie 22 biselada, presenta, según la vista de la figura 3, una forma curvada sustancialmente paralela al extremo 221 aguas arriba del borde de ataque, y se extiende entre un límite Li radialmente interno de la pala del lado del eje central del inductor, y un límite radialmente Le externo de la pala.

[0045] El borde 261 aguas abajo presenta también, según la vista de la figura 4, una forma curvada, y se extiende entre un límite Li radialmente interno de la pala del lado del eje central del inductor, y un límite Le’ radialmente externo de la pala. En este ejemplo, el borde 261 aguas abajo tiene la forma de un arco de círculo cuya concavidad está dirigida aguas abajo. Además, en este ejemplo, el límite Li radialmente interno de los bordes 223 y 261 se confunden. Por el contrario, el límite Le’ radialmente externo del borde 261 aguas abajo está situado más aguas abajo que el límite Le radialmente externo del borde 223 aguas arriba.

[0046] La forma del rebaje así obtenida corresponde a la forma de la bolsa 30 de cavitación que se forma en cada una de las palas 10 del inductor, de modo que esta bolsa 30 se ve limitada en sus movimientos por la superficie 24 de fondo y los bordes 223 y 261 durante el funcionamiento del inductor.

[0047] En este ejemplo, el grosor e de la pala 10 a nivel del rebaje representa aproximadamente entre el 65 % y el 70 % del grosor E<max>máximo de la pala 10 a nivel de la superficie 28 aguas abajo. Dado que el grosor de la pala 10 no es constante, la sección considerada para evaluar el grosor e corresponde en este caso a la mitad de la distancia entre el borde 223 aguas arriba y el borde 261 aguas abajo.

[0048] Preferiblemente, el grosor e de la pala 10 es superior al 60 % del grosor E<max>, independientemente de la sección considerada, para conservar la integridad mecánica de la pala 10. Además, la superficie 24 de fondo y la superficie 26 de marcha están conectadas por un reborde de conexión, claramente visible en la figura 2B. Esto permite limitar las tensiones a nivel de esta unión cuando el inductor 1 está en funcionamiento.

[0049] La figura 2A representa una vista en perspectiva de un inductor 1 de turbobomba según la presente invención, que comprende un rebaje en cada una de sus palas 10, comprendiendo cada una de ellas una superficie 24 de fondo, una superficie 28 aguas abajo, una superficie 26 de marcha y una superficie 22 biselada. Cuando el inductor 1 se integra en una turbobomba, la presencia de rebajes en las palas permite limitar las fluctuaciones de la longitud de las bolsas de cavitación y, de este modo, estabilizar la dinámica del árbol de la turbobomba al limitar los desequilibrios hidráulicos provocados por los regímenes inestables de cavitación. Esto permite aumentar la vida útil del motor sin reducir el rendimiento del inductor.

[0050] Alternativamente, la forma de la superficie 24 de fondo descrita anteriormente puede ser diferente, dependiendo de la forma de las bolsas de cavitación que se forman en el extradós. Por ejemplo, la superficie 26 de marcha, en una vista según el eje de rotación del inductor, puede tener un radio de curvatura variable, por ejemplo creciente, en una dirección radial, entre un límite radialmente interno de la pala 10 del lado de un eje central del inductor y un extremo radialmente externo de la pala 10.

[0051] La figura 5 representa una vista en sección de una turbobomba 100 que comprende el inductor 1 de la presente descripción, destinada de manera preferible, pero no exclusiva, al bombeo de fluidos tales como gas licuado. Los adjetivos “axial” y “radial” se definen en relación con el eje A de rotación de la turbobomba 100, mientras que los adjetivos “aguas arriba” y “aguas abajo” se definen en relación con el sentido de aspiración del fluido. Considerada según la dirección de aspiración esquematizada en este caso mediante flechas, la turbobomba 100 comprende sucesivamente una etapa 12 de aspiración, una rueda 14 centrífuga y un conducto 16 anular que permite el retorno del fluido aspirado. La etapa 12 de aspiración comprende el inductor 1 rotatorio dotado de un cubo 20 accionado en rotación por un árbol 110 de rotación de la turbobomba 100, accionándose por su parte el árbol 110 de rotación por un motor 112 eléctrico dispuesto aguas abajo de la rueda 14 centrífuga. El árbol 110 de rotación también acciona en rotación la rueda 14 centrífuga.

[0052] Aunque la presente invención se ha descrito haciendo referencia a ejemplos de realización específicos, es evidente que se pueden realizar modificaciones y cambios en dichos ejemplos sin salirse del alcance general de la invención tal y como se define en las reivindicaciones. Por ejemplo, el borde 223 puede no ser un borde vivo, sino un borde ficticio, en forma de una superficie redondeada como un reborde de conexión. En particular, las características individuales de las diferentes realizaciones ilustradas/mencionadas pueden combinarse en realizaciones adicionales. Por tanto, la descripción y los dibujos deben considerarse en sentido ilustrativo y no restrictivo.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

1. Inductor (1) para turbobomba que comprende una pluralidad de palas (10) dispuestas entre una carcasa interna y una carcasa externa, presentando cada pala (10) un intradós, un extradós (20) y un borde (22) de ataque que comprende una superficie (222) biselada, presentando el extradós (20) de al menos una pala (10) un rebaje,caracterizado porqueel rebaje se extiende desde un extremo (223) aguas abajo de la superficie (222) biselada del borde (22) de ataque de la pala (10) hasta una superficie (26) de marcha dispuesta en el extradós (20), siendo la superficie (26) de marcha una pared sustancialmente vertical que une una superficie (24) de fondo del rebaje y una superficie (28) aguas abajo del extradós (20) aguas abajo de la superficie (26) de marcha, siendo la superficie (24) de fondo y la superficie (28) aguas abajo dos superficies sustancialmente horizontales, dispuestas a diferentes alturas entre sí, uniéndose la superficie (26) de marcha y la superficie (28) aguas abajo por un borde (261) vivo.

2. Inductor (1) según la reivindicación 1, en el que el rebaje se extiende radialmente de manera sustancial desde un límite radialmente interno de dicha al menos una pala (10) en el lado de un eje central del inductor (1), en las proximidades del borde (22) de ataque, hasta un extremo radialmente externo de dicha al menos una pala (10).

3. Inductor (1) según la reivindicación 1 o 2, en el que la superficie (26) de marcha forma, en una vista según un eje del inductor, un arco de círculo con una concavidad dirigida hacia el centro del inductor (1).

4. Inductor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rebaje está delimitado por la superficie (24) de fondo y la superficie (26) de marcha, estando la superficie (24) de fondo y la superficie (26) de marcha unidas por un reborde de conexión.

5. Inductor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un límite (Li) radialmente interno del borde (261) vivo coincide con un límite (Li) radialmente interno del extremo (223) aguas abajo de la superficie (222) biselada, y un límite (Le’) radialmente externo del borde (261) vivo está situado más aguas abajo que un límite (Le) radialmente externo del extremo (223) aguas abajo de la superficie (222) biselada.

6. Turbobomba (100) que comprende el inductor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.