ES2253341T3 - Plato de disco de alabes de rotor y disposicion correspondiente. - Google Patents

Abstract

Disposición de plato de disco de álabes de rotor, que incluye un plato (10), un disco (3), comprendiendo el plato (10) un cubo (9) fijado al rotor (1), un paño (14) que cubre una cara del disco (3) y que tiene una periferia (14) adyacente al disco, una pluralidad de lengüetas (23) de junta de laberinto (20), dispuestas en una cara (24) del paño vuelta respecto al disco, comprendiendo las lengüetas (23) partes de cuchilla inclinadas hacia una dirección axial del rotor y que se alejan del plato (10) hacia unos extremos afilados de cuchilla, estando desfasadas las partes de cuchilla axial y radialmente las unas de las otras caracterizado porque un radio (48) que pasa por una zona de flexión principal (46) del plato está situado entre el disco (3) y el centro de inercia (49) del paño (14) y unas lengüetas (23) en sección axial.

Description

Plato de disco de álabes de rotor y disposición correspondiente.

La invención se refiere a un plato de disco de álabes de rotor y a su disposición en una turbomáqui-
na.

Las turbinas de los reactores deben ser refrigeradas frecuentemente para que resistan los calentamientos del gas que procede de la cámara de combustión y que las atraviesa, principalmente en las primeras etapas de las turbinas. Se ha desarrollado sistemas de enfriamiento por ventilación a través de los cuales se sustrae gas más frío de una parte de la máquina aguas arriba de la cámara de combustión y se insufla en las etapas expuestas de las turbinas. En determinadas disposiciones particulares, un plato fijado al rotor cubre el disco giratorio a ventilar, hasta bajo los pies de los álabes, y se insufla el gas entre el plato y el disco hasta entrar en unos taladros que atraviesan la periferia del disco entre los álabes. Así se garantiza una buena ventilación del disco y sobretodo de las partes más calientes de la periferia.

El plato se extiende entre un cubo fijado al rotor y una periferia libre adyacente al disco y que debe ser mantenida unida a éste a fin de evitar las fugas de gas de ventilación. En diseños habituales, las fuerzas centrífugas producidas por la marcha de la máquina deforman el plato despegándolo del disco, lo cual rompe la estanqueidad y obliga a poner remedio a ello labrando unos ganchos en el disco, bajo los cuales se encaja el borde del plato. Sin embargo, los ganchos son desventajosos porque encarecen el costo de fabricación del disco y son frágiles.

Un análisis de la acción de las fuerzas centrífugas lleva a detallar la forma del plato. Se encuentra en general que existe una zona de flexión principal de las secciones del plato en un plano axial, cuya posición es en gran medida responsable del comportamiento de conjunto del plato bajo el efecto de las fuerzas centrífugas, aun cuando todas las partes del plato estén sometidas a ellas. Esta zona se parece a un pivote a este lado del cual el plato sigue siendo sensiblemente indeformable y más allá del cual se deforma mucho más, sea en razón de su flexibilidad, o sea por su distancia al eje de rotación. Así es como una forma usual de plato comprende, a partir del cubo plano donde se fija al rotor, un brazo en forma de manguito tubular, y después un paño sensiblemente plano. Se aligera el brazo haciéndolo casi tan delgado como el paño; la zona de flexión principal tiende entonces a encontrarse bajo el brazo, que se deforma abriéndose del lado del paño; ésta bascula entonces alejándose del
disco.

Por esta razón la patente WO-99 32761 propone una disposición diferente, en la cual el plato está en lo esencial desprovisto de manguito y comprende esencialmente, después del cubo, una parte abombada muy rígida y a continuación un paño cada vez más fino e inclinado alejándose del disco. La zona de flexión principal está situada entonces en el paño; además, el plato está provisto de una mazarota cerca de la periferia del paño, más allá de la zona de flexión principal y que sobresale en el lado vuelto del disco: las fuerzas centrífugas tienen por efecto enderezar el plato disminuyendo la inclinación de la parte que comprende la mazarota, lo cual aprieta fuertemente el extremo libre del plato contra el disco. Los ganchos de mantenimiento entonces resultan inútiles. Sin embargo, la mazarota representa un aumento de peso sensible del plato.

Por esta razón se ha deseado, en el espíritu de la invención, obtener un efecto similar de basculamiento del plato bajo la acción de las fuerzas centrífugas pero sin que ese efecto se produzca por una pieza especial. Más bien se propone utilizar lo que se denomina las lengüetas de juntas de laberinto, encontradas frecuentemente en los turborreactores, para establecer la estanqueidad a lo largo del plato.

El documento EEUU 4 466 239 describe un plato desprovisto de manguito, que propone utilizar lengüetas de juntas de laberinto como medio de regulación de la circulación del aire de enfriamiento.

Las lengüetas de una junta de laberinto comprenden una parte de manga o de unión a la pieza portadora de la lengüeta y una parte de cuchilla que se afila hasta un extremo libre y establece la estanqueidad iniciando una corona de material de erosión fácil (denominada "de desgaste") fijada a la otra pieza unida por la junta. Contrariamente a la construcción usual en la cual las cuchillas de las lengüetas están dispuestas en forma radial hacia el exterior, aquí están inclinadas axialmente alejándose del disco, lo cual las separa del centro y aumenta así el momento de basculamiento hacia el disco que producen las fuerzas centrífugas en el extremo del plato. Además, se adoptan desfases axiales y radiales de las partes en cuchilla de las lengüetas para aumentar el descentramiento de las lengüetas y ajustar el efecto global de las fuerzas centrífugas repartiéndolas en el paño. Se verá que esta disposición desfasada facilita también la fabricación de las lengüetas.

Para resumir, la invención se refiere, bajo su forma más general, a una disposición de plato de disco de álabes de rotor, que incluye un plato, un disco, comprendiendo el plato un cubo fijado al rotor y un paño que cubre una cara del disco y que tiene una periferia adyacente al disco, una pluralidad de lengüetas de junta de laberinto, dispuestas en una cara del paño vuelta respecto al disco, comprendiendo las lengüetas unas partes de cuchilla inclinadas hacia una dirección axial del rotor y que se alejan del plato hacia extremos afilados de cuchilla, estando desfasadas las partes de cuchilla axialmente y radialmente las unas de las otras y original en cuanto a que un radio que pasa por una zona de flexión principal del plato está situado entre el disco y el centro de inercia del paño y de las lengüetas en sección axial.

En el sentido de la invención, el paño del plato es la parte periférica de este plato que cubre el disco y que se caracteriza por una gran anchura radial unida a una finura suficiente para permitirle flexionarse cuando esté sometido a las fuerzas centrífugas del rotor. Comprende también por tanto la zona de flexión principal y las zonas situadas más allá hasta el borde del plato.

Una parte del paño que lleva las lengüetas puede estar inclinada en la dirección axial del rotor alejándose del disco hacia la periferia adyacente al disco, a fin de favorecer el enderezamiento del paño bajo el efecto de las fuerzas centrífugas y de reforzar el apoyo de la periferia del plato en el disco.

Otras disposiciones de la invención, secundarias y sin embargo útiles, permiten todavía ajustar o reforzar la flexión del paño en el sentido favorable dejando al mismo tiempo que se ventile de manera eficaz.

A continuación se describirá la invención en el conjunto de sus características y ventajas, por medio de la figura 1, que representa una realización particular de una disposición del plato conforme a la invención, y de la figura 2, que representa una variación de realización del plato.

Un rotor lleva la referencia general 1 en la figura 1 y comprende en particular una sección 2 de disco 3 provisto de una etapa de álabes 4 que se extienden en una vena 5 de circulación de los gases justamente aguas abajo de una cámara de combustión 6, que somete a los álabes 4 y al disco 3 a un fuerte calentamiento. La sección 2 acaba en unas bridas 7 y 8 atornilladas a otras secciones del rotor, pero un cubo 9 que constituye la parte interna de un plato 10 es retenido entre la brida 7 y una brida 11 de la sección de rotor adyacente a la sección 2 de los pernos de fijación 12. Después del cubo 9, el plato continúa en un brazo 13, y después en un paño 14 que forma la parte útil del plato y que cubre la mayor parte de la superficie del disco 3 situada frente a la cámara de combustión 6; la periferia del paño 14 está libre y labrada en una cara de apoyo 15 sobre una cara pulida 16 del disco 3. Un codo de conexión 45, grueso y muy rígido, une el brazo 13, sensiblemente tubular, al paño 14, sensiblemente plano, salvo cerca del extremo 15 donde está inclinado hacia la cara pulida 16 para tocarla. En efecto, se ha revelado favorable una forma plana de paño 14, para dar la deformación deseada; una forma inclinada que se aleja del disco 3, que se ilustrará con claridad en la figura 2, puede dar mejores resultados todavía.

Una parte de estator 17 se extiende delante del plato 10 y delimita con él una cámara 18; una junta de laberinto simple 19 delimita la cámara 18 por el lado del rotor 1 y una junta de laberinto complejo 20 la delimita por el lado de la vena 5. La junta de laberinto simple 19 comprende lengüetas 21 circulares y que se afilan en cuchilla, levantándose sobre el contorno del cubo 9, y una corona de material de desgaste 22, formada en general por un material en forma de nido de abeja o por cualquier otro material de desgaste, se fija a la parte del rotor 17 alrededor de las lengüetas 21. Tal como se sabe, las dilataciones térmicas producidas en el curso del funcionamiento de la máquina y más importantes en el rotor 1 calentado con más intensidad hacen entrar las lengüetas 21 en la corona de material de desgaste 22 y cavan gargantas en la misma; el juego entre las lengüetas y el fondo de las gargantas de la corona de desgaste 22 sigue siendo mínimo, lo cual, en combinación con el trayecto sinuoso que las fugas de gas deben realizar para atravesar la junta de laberinto simple 19, reduce mucho su caudal.

La junta de laberinto complejo 20 comprende de manera similar unas lengüetas 23 -aquí en número de tres- levantadas en la cara 24 del paño 14 que está vuelta respecto al disco 3, y unas coronas de material de desgaste 25 pero que se suceden radialmente, estando asociada una lengüeta 23 a una corona 25 respectiva en esta realización, mientras que una corona 22 única es común a las lengüetas 21 de la otra junta 19; pero se obtiene un refuerzo de la estanqueidad en los dos casos por la multiplicidad de las lengüetas. Además, los extremos de las lengüetas 23 de la junta compleja 20 están también desfasados axialmente.

Se insufla gas mediante un dispositivo del cual sólo se represente el extremo: se trata de un tubo 26 cuyo diámetro es sensiblemente inferior a su longitud y que desemboca sin transición en la cámara 18. El gas de ventilación originario de otra parte del reactor y que sigue el trayecto de las flechas 27 experimenta por tanto una expansión al entrar en la cámara 18, se hace rotativo conjuntamente con el rotor y su temperatura desciende considerablemente. Entonces puede atravesar el paño 14 del plato 10 por unos conductos 28 antes de seguir un flujo centrífugo representado por las flechas 29 que le hace lamer la periferia del disco 3 antes de que entre en unos taladros 30 que le hacen ventilar el corazón del disco 3 en su parte adyacente a los álabes 4.

Es ventajoso que se establezcan unos taladros suplementarios 31 a través del brazo 13 a fin de crear una corriente de contorneo representada por las flechas 32 y 33, en el interior de la cámara 10 y que pasa cerca de la junta de laberinto simple 19, y después entre el plato 10 y el fondo del disco 3. El cubo 9 se encuentra entonces también él ventilado a pesar de la presencia de gas más caliente en una cavidad bajo el estator 34 que la junta 19 separa de la cámara 18.

En algunas construcciones, sin embargo, el gas presente en esta cavidad bajo el estator 34 podría estar bastante fresco, y los taladros suplementarios 31 resultarían inútiles; incluso sería posible suprimirlos y sustituirlos por unos taladros 35 que hicieran comunicar directamente la cavidad 34 con el espacio comprendido entre el brazo de conexión 13 del plato 10 y la sección de rotor 2 a través del cubo 9 para que el gas de la cavidad bajo el estator 34 contribuya también a la ventilación del plato 10 y del disco 3.

La junta de laberinto complejo 20 tiene como primera función aislar la cámara 18 de una cavidad bajo vena 36, adyacente a los álabes 4, llena de gas caliente. Sin embargo, aquí contribuye a una deformación favorable del paño 14 del plato 10 bajo el efecto de las fuerzas centrífugas producidas cuando gira el rotor 1: contrariamente a una situación frecuente, en la cual las lengüetas comprenden una cuchilla de orientación puramente radial junto a la parte de soporte por un mango de forma cilíndrica, las partes de cuchilla 37 de las lengüetas 23 están fuertemente inclinadas en dirección al eje XX del rotor y situadas casi en la prolongación de los mangos 38, lo cual aleja el centro de gravedad de las lengüetas 23 del paño 14. Las fuerzas centrífugas ejercidas en las lengüetas 23 tienen entonces como efecto rechazar más fuertemente el paño 14 hacia el disco 3, reforzando el contacto entre la muñequilla de apoyo 15 y la cara pulida 16. Este efecto de curvado puede ser reforzado si el paño 14, o al menos la parte que porta las lengüetas 23, se inclina también a su vez en dirección axial alejándose del disco 3 cuando se la recorre alejándose del eje XX: los esfuerzos centrífugos producidos en el paño 14 tienden a enderezarlo en un único plano radial y haciéndolo pivotar alrededor de su unión al brazo de conexión 13 lo cual lo acerca al disco 3.

Aquí, la zona de pivotamiento principal, a la que se hace referencia por 46, está en la transición entre el paño 14 y el codo 45 muy grueso. Cada una de las lengüetas 23 tiende a enderezarse bajo la acción de las fuerzas centrífugas y ejerce así un momento de basculamiento en el paño 14 en el lugar en el que se une. El valor de este momento y su efecto en la deformación del paño 14 depende del peso de la lengüeta 23, de su radio, de su inclinación y del espesor local del paño 14. El escalonamiento de las lengüetas 23 en dirección radial es un medio importante para ajustar la flexión de conjunto del paño 14; análogamente, la superficie de abertura y el número de los conductos 28, que están situados muy cerca de la zona de flexión principal 46, influyen mucho en la flexibilidad del paño 14.

Un diseño juicioso del brazo 13, de su longitud, de su rigidez y de la forma de su unión al paño 14 puede ejercer también un efecto en el contacto de la muñequilla de apoyo 15. Si es delgado y provisto de taladros suplementarios 31, puede abrirse bajo el efecto de las fuerzas centrífugas, presentando sus secciones una zona de flexión 47 secundaria, generalmente poco sensible puesto que el brazo 13 es más rígido que el paño 14 y con un radio más pequeño. También se debe destacar que una flexión alrededor de esta zona 47 tiene aquí por efecto alejar el paño 14 del disco 3: entonces es perjudicial, pero puede ser tolerada si sigue siendo moderada.

Todavía es ventajoso que las cuchillas 37 de las lengüetas 23 estén escalonadas no solamente en radios diferentes, sino en emplazamientos diferentes en el eje XX y no estén aquí alineadas, porque esta disposición les permite ser fabricadas con mayor facilidad endureciéndolas con la antorcha de plasma por otro medio. Una desalineación de ste tipo es manifiesta en la figura 2; además, la junta de laberinto comprende tres grupos de lengüetas 23 como en el ejemplo precedente, pero si el grupo externo 37 comprende todavía una sola lengüeta 23, el grupo intermedio 38 y el grupo interno 39 comprenden dos de ellas cada uno; cada uno de los grupos 37, 38 y 39 está asociado todavía a una corona de material de desgaste 25 respectiva. La adición de lengüetas suplementarias con un mismo radio refuerza la estanqueidad para un mismo número de coronas de material de desgaste 25.

La figura 2 muestra todavía que se puede asegurar la ventilación entre el brazo 13 y la sección de rotor 2, en conformidad con las flechas de flujo 40 y 41, cavando unas ranuras 42 en la unión entre la brida 7 y el cubo 9, por ejemplo en aquélla, a fin de que el gas de ventilación del plato 10, originario, por ejemplo, de los conductos 28, sea aspirado al interior de una cavidad de rotor 50 pasando por el interior del brazo 13.

Finalmente, se ha trazado en esta figura 2 el radio 48 que pasa por la zona de flexión principal 46: se ve claramente que el centro de inercia 49 de la parte de plato 10 más allá de esta zona 46 (que corresponde aproximadamente al paño 14) está situado netamente al otro lado que el disco 3 con respecto a este radio 48, lo cual constituye la condición de la flexión en el sentido buscado; y se hace manifiesta la inclinación del paño 14 alejándose del disco 3.

Claims (8)

1. Disposición de plato de disco de álabes de rotor, que incluye un plato (10), un disco (3), comprendiendo el plato (10) un cubo (9) fijado al rotor (1), un paño (14) que cubre una cara del disco (3) y que tiene una periferia (14) adyacente al disco, una pluralidad de lengüetas (23) de junta de laberinto (20), dispuestas en una cara (24) del paño vuelta respecto al disco, comprendiendo las lengüetas (23) partes de cuchilla inclinadas hacia una dirección axial del rotor y que se alejan del plato (10) hacia unos extremos afilados de cuchilla, estando desfasadas las partes de cuchilla axial y radialmente las unas de las otras

caracterizado porque un radio (48) que pasa por una zona de flexión principal (46) del plato está situado entre el disco (3) y el centro de inercia (49) del paño (14) y unas lengüetas (23) en sección axial.

2. Disposición de plato según la reivindicación 1, caracterizada porque una parte del paño que lleva las lengüetas está inclinada en la dirección axial del rotor alejándose del disco hacia la periferia adyacente al disco.

3. Disposición de plato según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque comprende una parte de estator (17) situada delante de la cara vuelta respecto al disco del paño, portando dicha parte unas partes complementarias (25) de las lengüetas (23) de la junta de laberinto, un medio (26) de insuflación de gas fresco que desemboca en una cámara (18) comprendida entre el plato (10) y la parte de estator (17), estando perforado el plato con conductos de gas fresco hacia el disco (3).

4. Disposición de plato según la reivindicación 3, caracterizada porque se realizan los conductos (28) a través de la zona de flexión principal del plato.

5. Disposición de plato según la reivindicación 4, caracterizada porque el medio de insuflación acaba en la cámara en un tubo de inyección.

6. Disposición de plato según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque comprende unos conductos (31) que atraviesan una parte (13) tubular del plato comprendida entre el cubo (9) y el paño (14), y porque se sitúa otra junta de laberinto (19) entre el cubo (9) del plato y la parte de estator (17).

7. Disposición de plato según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque comprende unas ranuras (42) de evacuación de gas establecidas a través de una junta de contacto del cubo (9) del plato y una brida (7) de fijación del disco.

8. Disposición de plato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque las juntas de laberinto comprenden, además de las lengüetas, unas partes de material de desgaste (22, 25).