ITTO20010445A1 - Statore di una turbina assiale a geometria variabile per applicazioniaeronautiche. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

del brevetto per Invenzione Industriale

La presente invenzione è relativa ad uno statore di una turbina assiale a geometria variabile per applicazioni aeronautiche e, in particolare, per motori aeronautici. Com'è noto, una turbina assiale per un motore aeronautico definisce un condotto anulare a diametro crescente e comprende almeno uno statore ed un rotore disposti in successione assiale tra loro e comprendenti rispettive schiere di profili aerodinamici alloggiati nel condotto anulare e tra loro delimitanti, circonferenzialmente, relativi vani per il passaggio di un flusso di gas.

Nei motori aeronautici è sentita l'esigenza di utilizzare turbine assiali aventi un rendimento il più possibile elevato in ogni condizione di funzionamento e, quindi, per un intervallo relativamente ampio di valori della portata dei gas che attraversano la turbina stessa.

Tale esigenza potrebbe essere soddisfatta realizzando turbine a geometria variabile, ossia turbine comprendenti almeno uno statore in cui, in uso, sia possibile variare l'area trasversale dei relativi vani, in particolare regolando la posizione angolare dei profili aerodinamici attorno a rispettivi assi incidenti con l'asse della turbina.

Negli statori delle turbine assiali di tipo noto, il condotto anulare è delimitato radialmente da superfici coniche, mentre i profili aerodinamici presentano una lunghezza relativamente elevata nel senso di avanzamento dei gas, per cui un eventuale spostamento di tali profili provocherebbe impuntamenti contro le suddette superfici coniche oppure eccessivi giochi radiali e, guindi, rilevanti trafilamenti di gas tra vani adiacenti, per cui il flusso dei gas nei vani stessi diventerebbe disuniforme, con conseguente drastica riduzione del rendimento della turbina.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare uno statore di una turbina a geometria variabile per applicazioni aeronautiche, il quale consenta dì risolvere in maniera semplice e funzionale i problemi sopra esposti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato uno statore di una turbina assiale a geometria variabile per applicazioni aeronautiche; lo statore presentando un asse e comprendendo un condotto anulare delimitato radialmente da una superficie esterna e da una superficie interna anulari; una schiera di profili aerodinamici alloggiati nel detto condotto in posizioni angolarmente equidistanziate tra loro attorno al detto asse e comprendenti, ciascuno, una relativa coppia di bordi terminali opposti tra loro ed accoppiati alle dette superfici esterna ed interna; caratterizzato dal fatto che i detti profili aerodinamici sono girevoli rispetto alle dette superfici esterna ed interna attorno a rispettivi assi di regolazione incidenti con il detto asse, e dal fatto di comprendere mezzi di accoppiamento dei detti profili aerodinamici alle dette superfici esterna ed interna per mantenere sostanzialmente costante il gioco tra le dette superfici esterna ed interna ed i detti bordi terminali al variare della posizione angolare dei detti profili aerodinamici .

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

la figura 1 è una sezione radiale schematica di una preferita forma di attuazione dello statore di una turbina assiale a geometria variabile per applicazioni aeronautiche realizzato secondo la presente invenzione; la figura 2 illustra, in sezione radiale e in scala ingrandita, un particolare dello statore della figura 1; e

la figura 3 è una vista prospettica, con parti asportate per chiarezza, del particolare della figura 2.

In figura 1, con 1 è indicata una turbina assiale a geometria variabile (parzialmente e schematicamente illustrata), la quale costituisce parte di un motore aeronautico non illustrato.

La turbina 1 presenta una simmetria assiale rispetto ad un asse 3 coincidente con l'asse del relativo motore aeronautico e comprende un albero motore 4 girevole attorno all'asse 3 ed un involucro o carcassa 8 alloggiante una successione di stadi coassiali, uno solo dei quali è indicato con 10 in figura 1.

Con riferimento alle figure 1 e 2, lo stadio 10 comprende uno statore 11 ed un rotore 12 calettato sull'albero motore 4 a valle dello statore 11. Lo statore 11 comprende, a sua volta, un mozzo 16 (schematicamente e parzialmente illustrato), il quale supporta, in modo noto, l'albero motore 4 ed è solidalmente collegato alla carcassa 8 mediante una pluralità di razze 17 (figura 2) angolarmente equidistanziate tra loro attorno all'asse 3.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, lo statore 11 comprende, inoltre, due piattaforme o pareti 20,21 anulari, le quali sono disposte in posizione radiale intermedia tra il mozzo 16 e la carcassa 8, sono attraversate dalle razze 17, e sono accoppiate, l'una, alla carcassa 8 e, l'altra, al mozzo 16 in posizioni di riferimento sostanzialmente fisse mediante dispositivi di collegamento 24 che lasciano alle pareti 20,21 stesse possibilità di spostamenti assiali e radiali di ampiezza relativamente contenuta rispetto alla carcassa 8 e al mozzo 16 per compensare, in uso, le differenze di dilatazione termica tra i componenti.

Le pareti 20,21 presentano rispettive superfici 27,28 affacciate tra loro per delimitare radialmente un condotto 30 anulare a diametro crescente nel senso di avanzamento del flusso di gas.

Con riferimento alle figure 2 e 3, le pareti 20,21 portano una schiera di palette 32 (una sola delle quali è illustrata) angolarmente equidistanziate tra loro attorno all'asse 3, attraversate dalle razze 17 e comprendenti rispettivi profili 33 aerodinamici, i quali sono alloggiati nel condotto 30 e delimitano tra loro, circonferenzialmente, una pluralità di vani di passaggio del flusso di gas (non indicati nelle figure allegate).

Ciascuna paletta 32 comprende, inoltre, una coppia di flange 36,37 di incernieramento tubolari cilindriche, disposte da parti opposte del relativo profilo 33 e coassiali tra loro lungo un asse 40, il quale è incidente con l'asse 3 ed è sostanzialmente ortogonale alle superfici 27,28, per cui forma, con l'asse 3, un angolo diverso da 90°.

Le flange 36,37 di ciascuna paletta 32 impegnano, in maniera girevole, rispettive sedi 41,42 circolari ricavate nelle pareti 20 e, rispettivamente, 21 per consentire la rotazione del relativo profilo 33 attorno all'asse 40, sporgono dal profilo 33 stesso radialmente rispetto al relativo asse 40 e sono delimitate da rispettive superfici 46 (figura 2) e 47, le quali sono affacciate tra loro e si estendono, senza soluzione di continuità, a prolungamento della superficie 27 e, rispettivamente, della superficie 28.

Con riferimento alla figura 2, la flangia 36 di ciascuna paletta 32 termina con un tratto 48 cilindrico filettato coassiale alla flangia 36 stessa e messo in rotazione, in uso, da un gruppo 50 di posizionamento angolare (parzialmente illustrato) comprendente, in particolare, un anello 51 motorizzato di azionamento e sincronizzazione atto a ruotare contemporaneamente i profili 33 attorno ai rispettivi assi 40 di un medesimo angolo, mantenendo i profili 33 stessi equiorientati tra loro rispetto alle superfici 27,28. In particolare, l'escursione angolare massima di ciascuna paletta 32 attorno al relativo asse 40 è di circa 6°.

Con riferimento alla figura 3, il profilo 33 di ciascuna paletta 32 è di tipo noto, presenta una superficie convessa o dorso 54 ed una superficie concava o ventre 55, e comprende una porzione di testa 56 ed una porzione di coda 57 rastremata, le quali definiscono il bordo d'ingresso e, rispettivamente, il bordo d'uscita del profilo 33. La porzione di testa 56 è integrale alle due flange 36,37, mentre la porzione di coda 57 si estende nel condotto 30 oltre le flange 36,37 stesse.

Nella porzione di coda 57, il dorso 54 ed il ventre 55 sono raccordati tra loro da due superfici 59,60 piane opposte tra loro, ciascuna delle quali è affacciata ed accoppiata ad una relativa zona 66,67 sagomata delle superfici 27 e 28.

Infatti, ciascuna superficie 27,28 comprende una relativa zona 64,65 conica che definisce un percorso o andamento medio dei gas nel condotto 30, mentre le zone 66,67 hanno una forma complementare a rispettive superfici ideali che sono definite da un inviluppo delle diverse posizioni angolari assunte dalle superfici 59,60 attorno all'asse 40.

Nell'esempio descritto, tali superfici ideali sono generate dalla rotazione, attorno all'asse 40, di linee di riferimento 69,70, che giacciono sulle superfici 59 e, rispettivamente, 60, preferibilmente in posizione mediana tra il ventre 55 ed il dorso 54. La figura 3 mostra, in sezione, una paletta 33 in cui è indicato solamente un relativo punto per ciascuna delle linee di riferimento 69,70 mediane.

Sempre secondo quanto illustrato nella figura 3, per guidare in maniera progressiva il flusso di gas nel condotto 30, le superfici 27,28 comprendono, infine, rispettive pluralità di zone 71,72 che raccordano gradualmente le zone 66,67 alla relativa zona 64,65 conica, mentre le superfici 46,47 sono sagomate secondo l'andamento delle superfici 27,28 per raccordare i bordi delimitanti le sedi 41,42.

In uso, è possibile regolare la geometria o capacità dei vani ruotando contemporaneamente i profili 33 attorno ai rispettivi assi 40 mediante il gruppo 50. Durante tale rotazione, tra le superfici 59,60 di ciascun profilo 33 e le relative zone 66,67 delle superfici 27,28 il gioco radiale rimane sostanzialmente costante per ogni posizione angolare assunta dal profilo 33 stesso, grazie alla particolare conformazione delle zone 66,67 stesse sopra descritta.

In particolare, l'altezza dei profili 33 misurata tra le superfici 59,60 e la distanza tra le pareti 20,21 sono calibrate in modo tale per cui le superfici 59,60 cooperano a strisciamento contro le zone 66,67 delle superfici 27,28 con giochi radiali estremamente ristretti per garantire la tenuta di fluido tra palette 33 e pareti 20,21 e, di conseguenza, l'uniformità del flusso di gas che attraversa i vani statorici.

Da quanto precede appare evidente che la particolare conformazione delle superfici 27,28 dello statore 10 consente di ottenere rendimenti relativamente elevati dello stadio 10 per ogni posizione angolare delle palette 32 e, quindi, per un relativamente ampio intervallo di condizioni di funzionamento della turbina 1.

Quanto appena esposto è dovuto al fatto di poter regolare la posizione angolare dei profili 33 ed al fatto che i giochi radiali tra i profili 33 e le pareti 20,21 sono estremamente contenuti e, soprattutto, costanti per ogni posizione angolare delle palette 32 attorno ai relativi assi 40, anche se i profili 33 presentano una lunghezza relativamente elevata nel senso di avanzamento dei gas ed il diametro del condotto 30 è crescente.

Pertanto, nello statore 11 il gioco sostanzialmente costante e la continua tenuta di fluido tra palette 32 e pareti 20,21 durante la regolazione, non solo, impedisce che si verifichino impuntamenti o attriti tra le palette 32 stesse e le pareti 20,21 durante la regolazione, ma soprattutto evita la formazione di indesiderate ed imprevedibili scie vorticose nel flusso di gas nei vani statorici dovute a trafilamenti.

La presenza poi delle zone 71,72 di raccordo e la particolare conformazione delle palette 32 e, in particolare, la presenza delle flange 36,37 consentono di guidare in maniera graduale ed ottimale il flusso di gas nel condotto 30, per ogni posizione angolare dei profili 33 attorno ai rispettivi assi 40.

Da quanto precede appare, infine, evidente che allo statore 11 descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione.

In particolare, le superfici 59,60 potrebbero essere sagomate anziché piane e, quindi, i bordi del profilo 33 accoppiati a strisciamento alle superfici 27,28 potrebbero essere definiti anche da una linea oppure uno spigolo, che si estende a partire dalle porzioni di incernieramento della paletta 32 fino ai bordi d'uscita e/o d'ingresso.

Inoltre, le palette 32 potrebbero essere incernierate alle pareti 20,21 o ad altre strutture di supporto dello statore 11 in modo diverso da quello illustrato e descritto, e/o potrebbero essere trascinate in rotazione da un gruppo di posizionamento angolare diverso dal gruppo 50 parzialmente illustrato.

Claims (1)

1. R IV E N D I CA Z I O N I 1.- Statore (11) di una turbina (1) assiale a geometria variabile per applicazioni aeronautiche; lo statore (11) presentando un asse (3) e comprendendo un condotto (30) anulare delimitato radialmente da una superficie esterna (27) e da una superficie interna (28) anulari; una schiera di profili aerodinamici (33) alloggiati nel detto condotto (30) in posizioni angolarmente equidistanziate tra loro attorno al detto asse (3) e comprendenti, ciascuno, una relativa coppia di bordi terminali (59,60) opposti tra loro ed accoppiati alle dette superfici esterna ed interna (27,28); caratterizzato dal fatto che i detti profili aerodinamici (33) sono girevoli rispetto alle dette superfici esterna ed interna (27,28) attorno a rispettivi assi di regolazione (40) incidenti con il detto asse (3), e dal fatto di comprendere mezzi di accoppiamento (66,67) dei detti profili aerodinamici (33) alle dette superfici esterna ed interna (27,28) per mantenere sostanzialmente costante il gioco tra le dette superfici esterna ed interna (27,28) ed i detti bordi terminali (59,60) al variare della posizione angolare dei detti profili aerodinamici (33). 2.- Statore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di accoppiamento (66,67) comprendono, per ciascun detto profilo aerodinamico (33), una coppia di zone sagomate (66,67) costituenti parte delle dette superfici esterna e, rispettivamente, interna (27,28) ed aventi, ciascuna, una forma complementare ad una superficie ideale generata dalla rotazione del relativo detto bordo terminale (59,60) attorno al detto asse di regolazione (40). 3.- Statore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ciascun detto profilo aerodinamico (33) è delimitato da una superficie di dorso (54) e da una superficie di ventre (55) raccordate tra loro da una coppia di superfici terminali (59,60) definenti i detti bordi terminali; le dette superfici ideali essendo generate dalla rotazione attorno al detto asse di regolazione (40) di linee di riferimento (69,70) giacenti sulle dette superfici terminali (59,60) in posizioni intermedie tra le dette superfici di dorso e di ventre (54,55). 4.- Statore secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che ciascuna detta superficie esterna ed interna (27,28) comprende una relativa zona conica (64,65) e, per ciascuna detta zona sagomata (66,67), una relativa zona di raccordo (71,72) tra la detta zona conica (64,65) e la zona sagomata (66,67) stessa . 5.- Statore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun detto profilo aerodinamico (33) costituisce parte di una relativa paletta (32) comprendente due porzioni di incernieramento (36,37) estendentisi da parti opposte del profilo aerodinamico (33) stesso, coassialmente al relativo detto asse di regolazione (40), ed incernierate alle dette superfici esterna (27) e, rispettivamente, interna (28). 6.- Statore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che almeno una delle dette porzioni di incernieramento (36,37) di ciascuna detta paletta (32) è sporgente radialmente dal relativo detto profilo aerodinamico (33) rispetto al detto asse di regolazione (40) ed è delimitata da una superficie di guida (46,47) estendentesi a prolungamento della relativa detta superficie esterna/interna (27,28). 7.- Statore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che le dette superfici di guida (46,47) si estendono senza soluzione di continuità a prolungamento delle relative dette superfici esterna ed interna (27,28). 8.- Statore secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che entrambe le dette porzioni di incernieramento (36,37) di ciascuna detta paletta (32) sono sporgenti e delimitate da rispettive superfici di guida (46,47) affacciate tra loro. 9.- Statore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, caratterizzato dal fatto che ciascun detto profilo aerodinamico (33) comprende una porzione di testa (56) integrale alle dette porzioni di incernieramento (36,37), ed una porzione di coda (57) delimitata dai detti bordi terminali (59,60). 10.- Statore di una turbina assiale a geometria variabile per applicazioni aeronautiche sostanzialmente come descritto ed illustrato nelle figure allegate.