ES2265069T3 - Maquina de trabajo reologico con relacion de contraccion de rotor-estator superelevada. - Google Patents
Maquina de trabajo reologico con relacion de contraccion de rotor-estator superelevada. Download PDFInfo
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Abstract
Máquina de trabajo reológico con al menos un rotor provisto de paletas y al menos un estator provisto de paletas, en donde el rotor está montado en la carcasa por medio de un árbol rotativo, cparacterizada porque está previsto un desarrollo de canal anular cuya sección transversal de superficie en al menos una etapa que comprende un rotor y un estator conduce a una relación de contracción de rotor-estator QRS que satisface la ecuación siguiente: [0, 2 + (KT - 0, 45)0, 1] < QRS < 3, 0 en donde QRS se define según la fórmula siguiente: QRS = KR / KS en donde KT es la contracción total de la etapa, pudiendo QRS y KT determinarse como sigue: QRS = KR / KS con KR = ARI / para y KS = ASI / ASA KT = ARI / ASA en donde ARI, para, ASI y ASA se calculan como sigue: ARI = ð (R22 - R12) para = ð (R42 - R32) ASI = ð (R62 - R52) ASA = ð (R82 - R72) en donde, considerado en la dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico, son R1 el radio en el punto de base, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor en el árbol del rotor, R2 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor, R3 el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor, R4 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor, R5 el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor, R6 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor, R7 el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator y R8 el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator.
Description
Máquina de trabajo reológico con relación de
contracción de rotor-estator superelevada.
La invención se refiere a una máquina de trabajo
reológico según el preámbulo de la reivindicación principal o de la
reivindicación adyacente.
En particular, la invención se refiere a una
máquina de trabajo reológico con al menos un rotor provisto de
paletas y al menos un estator provisto de paletas, en donde el rotor
está alojado en una carcasa por medio de un árbol rotativo.
La carga aerodinámica de máquinas de trabajo
reológico, como, por ejemplo, soplantes, compresores, bombas y
ventiladores, que pueden hacerse funcionar tanto con un medio
gaseoso como con un medio líquido, viene determinada por el
crecimiento y el desprendimiento de capas límite sobre las paletas y
sobre las paredes del cubo y de la carcasa. Usualmente, se obtiene
un buen comportamiento de funcionamiento cuando la carga dinámica se
distribuye uniformemente sobre el empaletado del rotor y el
empaletado del estator, por ejemplo en el caso de una etapa de
soplante o de compresor. La contracción del canal anular, es decir,
la disminución de la superficie de la sección transversal del canal
anular en la dirección de flujo, la cual es necesaria en el caso de
un medio de trabajo compresible entre el plano de entrada y el
plano de salida de una etapa, resulta ser también muy semejante en
el rotor y el estator. Se producen así ligeras diferencias de la
contracción en el rotor y el estator según el grado de reacción
elegido de esta etapa.
El estado de la técnica muestra construcciones
en las que el contorno interior y el contorno exterior del canal
anular, por ejemplo de soplantes y compresores, se aproximan
continuamente uno a otro y presentan entonces un desarrollo cónico
sin irregularidades.
Por consiguiente, los canales anulares conocidos
por el estado de la técnica se pueden subdividir en dos categorías:
por un lado, en canales anulares con desarrollo continuamente cónico
y, por otro lado, en canales anulares con desarrollo cónico, pero
con superficie constante en las rendijas axiales entre las paletas,
no presentándose entonces ninguna contracción. El estado de la
técnica últimamente citado resulta, por ejemplo, del documento US
6,312,221 B1.
La invención se basa en el problema de crear una
máquina de trabajo reológico de la clase citada al principio que,
junto con una estructura sencilla y un funcionamiento seguro,
presente una descarga aerodinámica del rotor.
Según la invención, el problema se resuelve con
las características de la reivindicación principal, mientras que
las reivindicaciones subordinadas muestran otras ejecuciones
ventajosas de la invención.
Por tanto, según la invención, se ha previsto,
por un lado, un desarrollo de canal anular cuya sección transversal
de superficie en al menos una etapa que comprende un rotor y un
estator conduce a una relación de contracción de
rotor-estator QRS que satisface la ecuación
siguiente:
[0,2 +
(KT - 0.45)^{0.1}] < QRS <
3.0
en donde KT es la contracción total
de la etapa. QRS y KT se han calculado como
sigue:
QRS = KR /
KS
con
KR = ARI / ARA y
KS = ASI / ASA
KT = ARI /
ASA
en donde ARI, ARA, ASI y ASA se
calculan como
sigue:
ARI = \pi
(R_{2}{}^{2} -
R_{1}{}^{2})
ARA = \pi
(R_{4}{}^{2} -
R_{3}{}^{2})
ASI = \pi
(R_{6}{}^{2} -
R_{5}{}^{2})
ASA = \pi
(R_{8}{}^{2} -
R_{7}{}^{2})
en donde, considerado en la
dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico,
son
- R_{1}
- el radio en el punto de base, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{2}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
- R_{3}
- el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{4}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
- R_{5}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
- R_{6}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{7}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator y
- R_{8}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator.
En una ejecución ventajosa de la invención se ha
previsto un desarrollo de canal anular cuyas secciones transversales
de superficie conducen a unas contracciones de rendija axial KX1 y
KX2 que satisfacen las ecuaciones siguientes:
0.8 < KX1
<
1.0
0.8 < KX2
<
1.0
en donde KX1 y KX2 satisfacen las
ecuaciones
siguientes:
KX1 = ARA /
ASI
KX2 = ARA /
ARI2
en donde ARA, ASI, ASA y ARI2 se
calculan como
sigue:
ARA = \pi
(R_{4}{}^{2} -
R_{3}{}^{2})
ASI = \pi
(R_{6}{}^{2} -
R_{5}{}^{2})
ASA = \pi
(R_{8}{}^{2} -
R_{7}{}^{2})
ARI2 = \pi
(R_{10}{}^{2} -
R_{9}{}^{2})
en donde, considerado en la
dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico,
son
- R_{3}
- el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{4}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
- R_{5}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
- R_{6}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{7}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{8}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{9}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo y
- R_{10}
- el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo.
\newpage
La presente invención se caracteriza por una
serie de ventajas considerables.
Según la invención, ésta se refiere a una
máquina de trabajo reológico tanto para un medio de trabajo gaseoso
como para un medio de trabajo líquido en clase de construcción axial
o semiaxial.
La solución según la invención puede utilizarse
tanto en máquinas de trabajo reológico con sólo una etapa (rotor y
estator) como con varias etapas.
Se sobrentiende que, tal como es conocido
también por el estado de la técnica, el rotor está constituido por
una pluralidad de paletas que están unidas con el árbol rotativo de
la máquina de trabajo reológico y que entregan el medio de trabajo.
Por consiguiente, el estator está constituido por una pluralidad de
paletas estacionarias que pueden estar construidas en ambos
extremos con una banda de cubierta o por el lado del cubo con un
extremo de paleta libre. Tanto el rotor como el estator están
dispuestos en una carcasa.
Asimismo, la máquina de trabajo reológico en la
ejecución según la invención puede presentar un estator dispuesto
delante del primer rotor (prerrodete de guía). Los estatores pueden
estar construidos en forma giratoria con respecto a sus paletas, de
modo que éstas pueden ajustarse desde fuera de la carcasa, por
ejemplo por medio de un husillo.
En la posibilidad de solución según la
invención, que se refiere a la relación de contracción QRS entre el
rotor y el estator, es especialmente favorable que la máquina de
trabajo reológico, que puede estar construida, por ejemplo, como
una turbomáquina, comprenda estatores con una configuración especial
de alto empuje ascensional y una capacidad de carga aerodinámica
correspondientemente elevada. Esto puede ser de gran ventaja cuando
las distintas etapas de la máquina de trabajo reológico sean
provistas de un desarrollo de la sección transversal del canal
anular que permita un significativo incremento de la carga del
estator bajo una carga constante del rotor. En este caso, es
conveniente que, a diferencia del estado de la técnica, se prevea
una superelevación visible de la relación de contracción de
rotor-estator de una etapa. Cuando se considera una
etapa de una máquina de trabajo reológico de varias etapas
(turbomáquina), la contracción en el rotor de la etapa es
relativamente alta, mientras que ésta es muchísimo más pequeña en
el estator de la misma etapa. Esta circunstancia se puede
cuantificar por medio de la relación de contracción QRS indicada
según la invención entre el rotor y el estator.
Para ilustrar la invención, la figura 1 muestra
un fragmento de una turbomáquina de varias etapas con la definición
de las superficies de la sección transversal del canal anular.
En la figura 1 se muestra la enésima etapa de
una máquina de múltiples etapas. Los cuatro puntos de esquina del
rotor (n) y del estator (n), así como los puntos de esquina
delanteros del rotor sucesivo (n+1) están especialmente marcados.
Los puntos de esquina vienen fijados por los puntos de intersección
de los cantos delanteros y traseros (o su prolongación radial en el
caso de extremos de paleta de estator o de rotor con rendija
anular) y la carcasa o el cubo. Cuando el contorno del cubo o la
carcasa no discurre con radio constante en dirección periférica, se
tiene en cuenta entonces el radio aritméticamente promediado en
dirección periférica. El rotor (n) posee los puntos P1 a P4, el
estator (n) posee los puntos P5 a P8 y el rotor (n+1) posee los
puntos P9 a P10. Cada punto P(i) tiene la posición axial
X(i) y el radio R(i). El sistema de referencia de
coordenadas está sobre el eje de la máquina.
La figura 2 muestra las fórmulas para calcular
las cinco superficies de sección transversal de canal anular ARI,
ARA, ASI, ASA y ARI2, las cuales se pueden calcular a partir de los
radios. La contracción del rotor resulta entonces de KR = ARI /
ARA, mientras que la contracción del rotor se calcula a partir de KS
= ASI / ASA.
La relación de contracción entre el rotor y el
estator es entonces QRS = KR / KS.
Asimismo, es de importancia la contracción total
de la etapa KT = ARI / ASA.
La presente invención se refiere a un intervalo
de valores superelevados de QRS en función de KT según la regla de
cálculo siguiente:
[0.2 +
(KT - 0.45)^{01}] < QRS <
3.0
La relación según la fórmula anterior está
representada gráficamente en la mitad derecha de la figura 2. Puede
apreciarse en ésta que las máquinas de trabajo reológico conocidas
por el estado de la técnica se encuentran netamente por debajo de
la línea característica.
La figura 3 muestra un desarrollo a título de
ejemplo de un canal anular según la presente invención, en
comparación con un canal anular construido según el estado de la
técnica. Partiendo de esta configuración de canal anular conocida
por el estado de la técnica, se puede satisfacer según la invención
el criterio QRS mediante una conformación única del contorno del
cubo del árbol del rotor, mediante una conformación única del
contorno de la carcasa o mediante una combinación de conformaciones
del contorno del cubo y de la carcasa.
Se sobrentiende que la figura 3 elige solamente
una representación muy simplificada. Es posible igualmente variar
también los puntos de entrada del rotor y los puntos de salida del
mismo.
En la ventajosa realización anteriormente
descrita de la solución según la invención la extensión de la
acumulación de presión estática limitada usualmente a filas del
rotor y del estator se ha desplazado a las rendijas axiales entre
las distintas filas de paletas. Esta circunstancia se puede
describir cuantitativamente también con ayuda de las superficies de
la sección transversal del canal anular en los planos de entrada y
de salida de los rotores y estatores. A este fin, se hace
referencia una vez más a la figura 1.
Como se representa en la figura 2, con las
superficies de sección transversal de canal anular dadas ARA, ASI,
ASA y ARI2 se pueden calcular la contracción KX1 = ARA / ASI entre
el rotor y el estator, así como la contracción KX2 = ASA / ARI2
entre el estator y el rotor sucesivo. Por tanto, está previsto un
rango de valores de KX por debajo de 1,0. Se cumplen aquí las
reglas siguientes:
0.8 < KX1
< 1.0\
y
0.8 < KX2
< 1.0 .
Los valores conocidos por el estado de la
técnica está siempre por encima de 1,0 o tienen un valor de 1,0.
La figura 4 muestra un ventajoso ejemplo de
realización del desarrollo de un canal anular. Partiendo de una
configuración de canal anular dada (estado de la técnica), se puede
cumplir con el criterio KX mediante una conformación única del
contorno del cubo, mediante una conformación única del contorno de
la carcasa o mediante una combinación de conformaciones del
contorno del cubo y de la carcasa.
Por motivos de claridad, en la representación de
la figura 4 se ha prescindido también de que se pueden variar
igualmente los puntos de salida del rotor y del estator.
Se desprende de la comparación con el estado de
la técnica que los canales anulares conocidos por el estado de la
técnica no comprenden el empleo de contracciones fuertemente
diferentes (relaciones de superficie) en el rotor y el estator. Por
tanto, la solución según la invención es de gran importancia
especialmente cuando se emplean diferentes metódicas de proyecto
para rotores y estatores. Esto puede consistir, por ejemplo, en la
utilización de técnicas convencionalmente traídas en el rotor y la
utilización de nuevas configuraciones de alto empuje ascensional en
el estator. Todos los proyectos de soplantes y compresores del
estado de la técnica muestran diferencias muy claramente perfiladas
respecto de la disminución porcentual de las superficies del canal
anular en la dirección de flujo a lo largo del rotor y del estator
de una etapa. El estado de la técnica no muestra tampoco un
desplazamiento parcial de la difusión desde las filas de paletas
hasta las rendijas axiales. Esto significa que en el estado de la
técnica se parte de una superficie de sección transversal de canal
anular decreciente o constante en la dirección de flujo.
Por tanto, según la invención, es especialmente
ventajoso que la utilización de una elevada relación de contracción
de estator-rotor cree la premisa para un proyecto de
una máquina de trabajo reológico o de una turbomáquina que incluya
la utilización híbrida de una tecnología de rotor que se sigue
desarrollando usualmente y una novedosa técnica para estatores en
combinación de alto empuje ascensional. Por consiguiente, el enfoque
de solución según la invención es completamente novedoso y se
diferencia de lo conocido por el estado de la técnica y crea una
categoría delimitada de nuevas máquinas de trabajo reológico o
turbomáquinas.
Para una relación de presión dada de una
turbomáquina se puede reducir el número de las piezas construidas
en aproximadamente 40%, a la vez que se conserva o se mejora el
rendimiento (hasta 2% dependiendo del rendimiento de los estatores
especiales mencionados). Los costes disminuyen entonces en
aproximadamente un 20%.
Utilizando el concepto en el compresor de un
mecanismo propulsor de avión con aproximadamente 25.000 libras de
empuje se obtiene entonces una reducción del consumo específico de
carburante de hasta un 1%.
Además, la utilización adicional de
contracciones de las rendijas axiales por debajo de 1,0 ofrece una
posibilidad para que las rendijas axiales usualmente no utilizadas
sean integradas como elementos activos en el proceso de la
acumulación de presión estática en la máquina de trabajo reológico
(turbomáquina) y para que se aproveche más eficazmente una longitud
de construcción axial dada. Este enfoque es también completamente
novedoso en cuanto a su concepto general y no ha sido imaginado de
ninguna manera por el estado de la técnica. Para una relación dada
de la máquina de trabajo reológico (turbomáquina) se puede
incrementar aún más el rendimiento en aproximadamente 0,5% y se
puede reducir adicionalmente en 5% el número de paletas montadas.
Los costes disminuyen adicionalmente en alrededor de un 2%.
Utilizando el concepto en el compresor de un mecanismo propulsor de
avión con aproximadamente 25.000 libras de empuje se obtiene así una
reducción adicional del consumo específico de carburante de
aproximadamente un 0,25%.
Claims (9)
1. Máquina de trabajo reológico con al menos un
rotor provisto de paletas y al menos un estator provisto de
paletas, en donde el rotor está montado en la carcasa por medio de
un árbol rotativo, caracterizada porque está previsto un
desarrollo de canal anular cuya sección transversal de superficie en
al menos una etapa que comprende un rotor y un estator conduce a
una relación de contracción de rotor-estator QRS que
satisface la ecuación siguiente:
[0.2 +
(KT - 0.45)^{0.1}] < QRS <
3.0
en donde QRS se define según la
fórmula
siguiente:
QRS = KR /
KS
en donde KT es la contracción total
de la etapa, pudiendo QRS y KT determinarse como
sigue:
QRS = KR /
KS
con
KR = ARI / ARA y
KS = ASI / ASA
KT = ARI /
ASA
en donde ARI, ARA, ASI y ASA se
calculan como
sigue:
ARI = \pi
(R_{2}{}^{2} -
R_{1}{}^{2})
ARA = \pi
(R_{4}{}^{2} -
R_{3}{}^{2})
ASI = \pi
(R_{6}{}^{2} -
R_{5}{}^{2})
ASA = \pi
(R_{8}{}^{2} -
R_{7}{}^{2})
en donde, considerado en la
dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico,
son
- R_{1}
- el radio en el punto de base, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{2}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
- R_{3}
- el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{4}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
- R_{5}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor,
- R_{6}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
- R_{7}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator y
- R_{8}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator.
2. Máquina de trabajo reológico según la
reivindicación 1, caracterizada porque está previsto un
desarrollo de canal anular cuyas secciones transversales de
superficie conducen a unas contracciones de rendija axial KX1 y KX2
que satisfacen las ecuaciones siguientes:
0.8 < KX1
<
1.0
0.8 < KX2
<
1.0
en donde KX2 y KX2 satisfacen las
ecuaciones
siguientes:
KX1 = ARA /
ASI
KX2 = ARA /
ARI2
en donde ARA, ASI, ASA y ARI2 se
calculan como
sigue:
ARA = \pi
(R_{4}{}^{2} -
R_{3}{}^{2})
ASI = \pi
(R_{6}{}^{2} -
R_{5}{}^{2})
ASA = \pi
(R_{8}{}^{2} -
R_{7}{}^{2})
ARI2 = \pi
(R_{10}{}^{2} -
R_{9}{}^{2})
en donde, considerado en la
dirección de flujo de la máquina de trabajo reológico,
son
- R_{3}
- el radio en el punto de base, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor en el árbol del rotor,
- R_{4}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del rotor,
- R_{5}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del estator,
- R_{6}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{7}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{8}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas abajo, de la paleta del estator,
- R_{9}
- el radio en el punto radialmente interior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo y
- R_{10}
- el radio en el punto radialmente exterior, colocado aguas arriba, de la paleta del rotor inmediata siguiente aguas abajo.
3. Máquina de trabajo reológico según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de
QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por conformación del contorno del cubo
o del árbol del rotor.
4. Máquina de trabajo reológico según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de
QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por conformación del contorno de la
carcasa.
5. Máquina de trabajo reológico según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque los valores de
QRS y/o KX1 o KX2 se obtienen por medio de una combinación de la
conformación del contorno del cubo o del árbol del rotor y del
contorno de la carcasa.
6. Máquina de trabajo reológico según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por una etapa que
comprende un rotor y un estator.
7. Máquina de trabajo reológico según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por varias etapas que
comprenden cada una de ellas un rotor y un estator.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10233033A DE10233033A1 (de) | 2002-07-20 | 2002-07-20 | Strömungs-Arbeits-Maschine mit überhöhtem Rotor-Stator-Kontraktionsverhältnis |
| DE10233033 | 2002-07-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2265069T3 true ES2265069T3 (es) | 2007-02-01 |
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ID=29762090
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES05022399T Expired - Lifetime ES2281050T3 (es) | 2002-07-20 | 2003-02-18 | Maquina de trabajo reologico con concentraciones de rendija axial inferiores a 1. |
| ES03003683T Expired - Lifetime ES2265069T3 (es) | 2002-07-20 | 2003-02-18 | Maquina de trabajo reologico con relacion de contraccion de rotor-estator superelevada. |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES05022399T Expired - Lifetime ES2281050T3 (es) | 2002-07-20 | 2003-02-18 | Maquina de trabajo reologico con concentraciones de rendija axial inferiores a 1. |
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| EP (2) | EP1637697B1 (es) |
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| ES (2) | ES2281050T3 (es) |
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