ÁLABE GUÍA VARIABLE.

Un álabe de guía (30) de entrada variable para un motor (10) de turbofan,

que comprende: lados (34, 36) opuestos de presión y de succión que se extienden a lo largo de una cuerda (38) entre los bordes (40, 42) de ataque y de salida, y en el espacio desde la raíz (44) hasta la punta (46); un eje (48) unido de forma fija a dicha punta para hacer girar el citado álabe en una gama de posiciones angulares entre abierta y cerrada; caracterizado porque dicho álabe tiene un espesor máximo entre dichos lados de presión y de succión mayor de aproximadamente un ocho por ciento de la longitud de dicha cuerda, y situado a menos de aproximadamente un treinta y cinco por ciento de la longitud de cuerda desde dicho borde de ataque (40)

La presente invención se refiere, en general, a motores de turbina de gas y, más específicamente, a álabes de guía de entrada en los mismos.

Un motor de turbina de gas de turbofan configurado para suministrar potencia a una aeronave en vuelo, incluye en comunicación de flujo en serie, una fan, compresores de baja y alta presión, un combustor, y turbinas de alta y baja presión. El aire es presurizado en los compresores y se mezcla con el combustible en el combustor para la generación de gases de combustión calientes que fluyen corriente abajo a través de las turbinas que extraen energía de los mismos. La turbina de alta presión suministra potencia al compresor de alta presión a través de un eje extendido entre ambos, y la turbina de baja presión alimenta potencia al fan y al compresor de baja presión a través de otro eje extendido entre los mismos.

El motor opera a varios niveles de potencia incluyendo ralentí, crucero, despegue y máxima potencia según se requiera para el funcionamiento apropiado de la aeronave sobre su envolvente de vuelo previsto. En una aplicación de aeronave de pasajeros comercial típica, el consumo de combustible es un objetivo principal de diseño, y el motor está por lo tanto específicamente diseñado para optimizar la eficacia del combustible en régimen de crucero.

En consecuencia, las diversas superficies aerodinámicas de estator y los álabes de rotor en el fan, el compresor y las turbinas, están preferentemente configuradas para optimizar el rendimiento aerodinámico en el punto o condición de diseño de crucero. De manera correspondiente, el rendimiento aerodinámico cambia en condiciones de fuera-dediseño no asociadas a crucero.

Tal operación en fuera-de-diseño es particularmente significativa en álabes de guía de entrada variable del compresor. El compresor típico de turbofan es un compresor axial multi-etapa que tiene muchas filas de álabes de estator y de álabes de rotor mediante las que se presuriza el aire a su vez. Los álabes de estator fijos se utilizan típicamente en las etapas corriente abajo del compresor, utilizándose álabes de estator variables en las etapas corriente arriba del mismo.

Y, se ha previsto una fila de álabes de guía de entrada variable a la entrada del compresor de alta presión para optimizar el rendimiento del mismo sobre la envolvente de vuelo deseada, incluyendo el crucero a la máxima potencia de funcionamiento del motor. Los diversos álabes y palas del compresor están configuradas por lo tanto con un perfil aerodinámico que optimiza la eficacia de compresión sin separación inaceptable de flujo o interrupción de flujo indeseado.

Perfiles aerodinámicos eficaces para superficies aerodinámicas de compresor, incluyendo los álabes de estator y los álabes de rotor, han estado disponibles durante muchas décadas, y pueden ser encontrados con considerable detalle en informes preparados por el National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). Por ejemplo, en la Nota Técnica 3959 de NACA, publicada en Mayo de 1957, se presentaron perfiles de álabe y diseños gráficos para la serie NACA 63-006 de álabes de guía de un espesor del 6 por ciento. La serie específica de superficie aerodinámica presentada en esta nota técnica es el perfil de álabe de guía NACA 63-(Cl0A4K6)06.

El perfil de álabe serie NACA-63 incluye un máximo de espesor respecto a longitud de cuerda del seis por ciento (6%), el cual se localiza a una longitud de cuerda de un treinta y cinco por ciento (35%) desde el borde de ataque de la superficie aerodinámica. El radio correspondiente de borde de ataque es de un 0,297 por ciento de la cuerda, y el radio del borde de salida es de un 0,6 por ciento de la cuerda. Este perfil es fácilmente escalable para que incluya espesores máximos mayores de un 6%C, incluso de un 8%C y más elevados, en la misma posición del 35% de la cuerda.

El perfil de álabe de guía del 6% de NACA, es uno de una serie de perfiles que varían de configuración incluyendo el espesor máximo de superficie aerodinámica. Los diversos perfiles de NACA han estado disponibles durante décadas para su uso en el diseño de superficies aerodinámicas eficientes de compresor de motor de turbina de gas.

Por ejemplo, la superficie aerodinámica serie NACA-63, se encuentra en motores de turbina de gas de turbofan gozando de muchos años de éxito de uso comercial en este país, así como en el exterior. En particular, el perfil serie NACA-63 ha sido utilizado en un álabe de guía de entrada variable de un motor de aeronave de turbofan comercial de alta potencia.

El perfil de NACA tiene buen rendimiento aerodinámico y eficiencia en la condición de diseño específico para el álabe variable, lo cual está típicamente en el ángulo de ataque de crucero. En consecuencia, cuando se hace girar el álabe de guía hasta su posición angular nominal o cero correspondiente con la condición de diseño, tal como de crucero, el perfil aerodinámico de la misma proporciona un rendimiento aceptable sin separación de flujo indeseable del aire que fluye sobre la misma.

Sin embargo, el álabe variable debe ser girado en una gama de ángulos de giro que tienen ángulos de ataque correspondientemente diferentes en relación con el flujo de aire que entra en el compresor. Esta gama angular incluye una posición angular relativamente cerrada asociada a baja potencia o funcionamiento a ralentí del motor en un extremo, y en el extremo opuesto de posición angular los álabes se hacen girar en una posición relativamente abierta correspondiente con el funcionamiento de máxima potencia del motor. Y, los álabes se posicionan entre estas dos posiciones extremas opuestas para el funcionamiento a potencia intermedia del motor tal como el crucero sobre una gama de crucero correspondiente de ángulos de giro centrados en cero grados.

En un programa de desarrollo actual para un motor de turbofan derivado, se desea una amplia gama de posición angular de álabe de guía de entrada variable incluyendo una posición de apertura máxima de veinticuatro grados (24º) y una posición de cierre máximo de sesenta grados (60º) para una gama total de ochenta y cuatro grados (84º). Esta amplia gama de posición angular de álabe tiene ángulos de ataque correspondientemente amplios y diferentes en relación con el flujo de aire entrante.

Los análisis han descubierto una separación sustancial de flujo en el lado de presión del álabe en la posición angular de máxima apertura, y a lo largo del lado de succión del álabe en la posición de cierre máximo para la serie NACA63 de perfiles de álabe de guía. Aunque se puede obtener un buen rendimiento de compresor de los álabes de guía de entrada variable en, y próximas a, la condición de diseño correspondiente a una estrecha gama angular centrada en cero grados, el compresor experimentará un pobre rendimiento en fuera-de-diseño incluyendo una separación de flujo indeseable en los extremos de la amplia gama angular de operación.

En consecuencia, se desea proporcionar un álabe de guía de entrada variable que tenga un rendimiento en fuerade-diseño mejorado sobre una amplia gama angular de operación.

El documento GB 1049080 se refiere a álabes de estator ajustables y que, con el fin de reducir las fugas entre los lados de alta y de baja presión de los álabes, proporciona una separación circunferencial entre álabes adyacentes que es menor que la longitud de cuerda de los álabes. Las plataformas circulares giratorias de cada extremo de los álabes tienen un diámetro que es menor que la separación circunferencial.

El documento US 4094071 divulga una plantilla ajustable para perfiles ahusados de costilla de superficie aerodinámica.

La presente invención proporciona un álabe de guía de entrada variable según se define en la reivindicación 1, y un estator de compresor de acuerdo con la reivindicación 5.

La invención va a ser descrita ahora con mayor detalle, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos, en los que:

La Figura 1 es una vista lateral, parcialmente en sección, de un motor de turbina de gas de turbofan ejemplar configurado para suministrar potencia a una aeronave en vuelo;

la Figura 2 es una vista axial parcialmente en sección, a mayor escala, de un álabe de guía de entrada variable a la entrada del compresor del motor ilustrado en la Figura 1;

la Figura 3 es una vista planiforme de álabes ejemplares de guía de entrada variable ilustradas en la Figura... [Seguir leyendo]

1. Un álabe de guía (30) de entrada variable para un motor (10) de turbofan, que comprende:

lados (34, 36) opuestos de presión y de succión que se extienden a lo largo de una cuerda (38) entre los bordes (40, 42) de ataque y de salida, y en el espacio desde la raíz (44) hasta la punta (46);

un eje (48) unido de forma fija a dicha punta para hacer girar el citado álabe en una gama de posiciones angulares entre abierta y cerrada; caracterizado porque dicho álabe tiene un espesor máximo entre dichos lados de presión y de succión mayor de aproximadamente un ocho por ciento de la longitud de dicha cuerda, y situado a menos de aproximadamente un treinta y cinco por ciento de la longitud de cuerda desde dicho borde de ataque (40).

2. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho borde de ataque (40) tiene un radio mayor de aproximadamente un 0,3 por ciento de dicha longitud de cuerda.

3. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho espesor máximo de álabe es mayor de, o igual a, aproximadamente un diez por ciento de dicha longitud de cuerda, y situado correspondientemente por debajo de aproximadamente un veinticinco por ciento de la longitud de cuerda desde dicho borde de ataque.

4. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dicho radio de borde de ataque es proporcional a dicho espesor máximo de álabe.

5. Un estator (26) de compresor, que comprende:

una cubierta (28) anular y una fila de álabes de guía (30) de entrada variable según se define en cualquiera de la reivindicaciones 1 a 4, que se extienden radialmente hacia el interior desde dicha cubierta.

6. Un estator de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende además un anillo de actuación (50) unido pivotablemente a cada uno de dichos ejes de álabe (52) para hacer girar los citados álabes al unísono en la citada gama angular que incluye un ángulo de ataque de diseño entre dichas posiciones de abiertas y cerradas.

7. Un estator de acuerdo con la reivindicación 5 ó 6, en el que cada uno de dichos bordes de ataque (40) de álabe tiene un radio mayor de aproximadamente un 0,3 por ciento de dicha longitud de cuerda.

8. Un álabe (30) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho álabe tiene un espesor máximo entre los citados lados de presión y de succión mayor que, o igual a, aproximadamente un diez por ciento de la longitud de dicha cuerda, y está situado a aproximadamente un veinticinco por ciento de la longitud de cuerda desde dicho borde de ataque (40).

9. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además un radio de borde de salida de aproximadamente un 0,6 por ciento de dicha longitud de cuerda.

10. Un álabe de acuerdo con la reivindicación 8 ó 9, en el que dicho borde de ataque (40) tiene un radio de aproximadamente un once por ciento de dicho espesor máximo de álabe.