Álabe móvil de compresor para un compresor axial.

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).

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

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... [Seguir leyendo]

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

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

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, 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.