ES2263742T3 - Amortiguador de vibraciones para turbina de gas. - Google Patents
Amortiguador de vibraciones para turbina de gas.Info
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Abstract
Un amortiguador de vibración (46) de álabe con álabe para un motor de turbina de gas, incluyendo el amortiguador (46) una primera superficie de fricción (48a) para entrar en contacto con una primera cara (22a) asociada con una álabe de turbina y una segunda superficie de fricción (48b) para entrar en contacto con una segunda cara (22b) asociada con una álabe de turbina adyacente, siendo dichas primera y segunda superficies de fricción (48a, 48b) y dichas primera y segunda caras (22a, 22b) planas, siendo dicha primera superficie de fricción (48a) y dicha segunda superficie de fricción (48b) convergentes, estando los extremos separados más próximos de dicha superficie de fricción (48a) y dicha segunda superficie de fricción (48b) separados por una distancia al menos tan grande como la separación circunferencial máxima entre los extremos radialmente exteriores de dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b), siendo el ángulo formado por dicha primera superficie de fricción (48a) y dichasegunda superficie de fricción (48b) más pequeño que el ángulo formado por dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b); caracterizado porque la masa del amortiguador (46) está dispuesta de manera que el centro de gravedad de dicho amortiguador (46) se sitúa en un plano que bisecta el ángulo formado por dichas superficie de fricción (48a, 48b) de manera que durante el uso, al menos parte de la amortiguación de vibración se efectúa mediante la oscilación del amortiguador (46) de manera que dicha primera y segunda superficies de fricción (48a, 48b) son llevadas alternativamente a contacto con las correspondientes primera y segunda caras (22a, 22b).
Description
Amortiguador de vibraciones para turbina de
gas.
Esta invención se refiere a amortiguación de
vibración. Más particularmente, aunque no exclusivamente, se refiere
a la atenuación de vibraciones en álabes de perfil aerodinámico para
motores de turbina de gas.
Los motores de turbina de gas comúnmente
incluyen una turbina de flujo axial que comprende al menos una
disposición anular de álabes de perfil aerodinámico que se
extienden radialmente sobre un disco común. Cada álabe de perfil
aerodinámico está provisto de una plataforma que se extiende
circunferencialmente cerca de su extremo radialmente interior de
manera que las plataformas de los álabes adyacentes cooperan para
definir el límite circunferencial radialmente interior de la
trayectoria del flujo de gas sobre los álabes.
Durante el funcionamiento, existe una tendencia
a que el gas fluya sobre los álabes de perfil aerodinámico haciendo
que los álabes vibren de manera que se requiere una extensión de
algunos grados de atenuación. Un diseño comúnmente utilizado para
atenuadores de la técnica anterior es axialmente alargado y
esencialmente con forma de cuña en sección transversal, con dos
superficies de fricción en su extremo radialmente exterior. Estas
superficies de fricción tienen un ángulo de aproximadamente 60º con
la dirección radial de los álabes y forman un ángulo de
aproximadamente 120º. El amortiguador está situado entre dos álabes
adyacentes, radialmente hacia dentro de las plataformas de álabe.
Las caras radialmente interiores de las plataformas de álabe están
diseñadas para formar el mismo ángulo que el formado por las
superficies de fricción del amortiguador. Durante el
funcionamiento, las fuerzas centrífugas tienden a girar del
amortiguador radialmente hacia fuera de manera que las superficies
de fricción son llevadas a contacto plano con las superficies en
ángulo sobre las superficies radialmente interiores de las
plataformas. Cualquier vibración de los álabes dará lugar a un
movimiento relativo entre las plataformas de los álabes adyacentes,
y por tanto a movimiento de deslizamiento entre las caras de
plataforma de álabe y las superficies de fricción del amortiguador.
El trabajo hecho en superar las fuerzas de fricción asociadas con
este movimiento de deslizamiento disipa la energía de vibración en
los álabes y reduce la vibración.
Una desventaja de este diseño de amortiguador es
que como las posiciones relativas de los álabes adyacentes cambian
como resultado de la vibración de los álabes, el ángulo formado por
las caras de la plataforma de álabe puede ya no ser el mismo que el
formado por las superficies de fricción del amortiguador. Las
superficies ya no están entonces en contacto plano; el amortiguador
tenderá a inclinarse o balancearse en lugar de deslizar, y se pierde
el efecto de
amortiguación.
amortiguación.
Se han propuesto varios diseños para superar
este problema. El documento US 3037741 expone un amortiguador con
forma de cuña sujeto en acoplamiento de deslizamiento con un disco
rotor mediante un pasador. Durante su uso, es empujado a contacto
con los lados inferiores de las plataformas de álabe mediante la
fuerza centrífuga para el efecto de amortiguación por fricción.
Alternativamente, el amortiguador comprende tiras de metal
resistente que ejercen una fuerza de carga contra las plataformas.
El documento EP 0509838 expone un amortiguador con forma de cuña
que tiene almohadillas elevadas sobre las superficies de fricción
del amortiguador. Las almohadillas elevadas están situadas de
manera que reducen la inclinación del amortiguador y mantienen las
almohadillas elevadas en contacto plano con las caras de la
plataforma. El documento US 5478207 expone un amortiguador que
tiene generalmente forma de cuña pero que tiene un centro de masa
desplazado, destinado a mejorar la estabilidad del amortiguador y
mantener el contacto plano entre la superficie de fricción y la cara
de plataforma de álabe.
Aunque estos diseños de amortiguador abordan el
problema de la pérdida de contacto plano, comparten una desventaja
adicional, ya que no son efectivos para todos los modos de
vibración. Las teorías clásicas de vibración de disco aleteado
identifican tres tipos de modos de vibración - modo de aleta de
álabe, modos de filo y modos de torsión. En una situación
idealizada un disco aleteado perfectamente ajustado (es decir, en el
que todos los álabes tienen la misma frecuencia natural) con una
excitación síncrona (por ejemplo desde vanos aguas abajo) darían
lugar a un modo de vibración único con un ángulo de fase de álabe
interno definido. Cuando más pequeño sea el número de vanos, más
pequeño sería este ángulo de fase. En una situación real, sin
embargo, no todos los álabes tendrán la misma frecuencia natural,
de manera que los movimientos relativos serán complejos y abarcarán
diferentes tipos de modos de vibración.
Es por tanto un objeto de la presente invención
proporcionar un amortiguador mejorado que proporcione más
amortiguación efectiva en todos los modos de vibración.
De acuerdo con la invención, se proporciona un
amortiguador de vibración de álabe con álabe para un motor de
turbina de gas, incluyendo el amortiguador una primera superficie de
fricción para poner en contacto con una primera cara asociada con
una álabe de turbina y una segunda superficie de fricción para poner
en contacto con una segunda cara asociada con un álabe de turbina
adyacente, siendo dicha primera y segunda superficies de fricción
planas, siendo dicha primera superficie de fricción y dicha segunda
superficie de fricción convergentes, estando los extremos separados
más próximos de dicha primera superficie de fricción y dicha segunda
superficie de fricción separados por una distancia al menos tan
grande como la separación circunferencial máxima entre los extremos
radialmente exteriores de dicha primera cara y dicha segunda cara,
siendo el ángulo formado por dicha primera superficie de fricción y
dicha segunda superficie de fricción más pequeño que el ángulo
formado por dicha primera cara y dicha segunda cara; caracterizado
porque la masa del amortiguador está dispuesta de manera que el
centro de gravedad de dicho amortiguador se sitúa en un plano que
bisecta el ángulo formado por dichas superficies de fricción de
manera que, durante su utilización, al menos parte de la
amortiguación de vibración se efectúa por oscilación del
amortiguador de manera que las citadas primera y segunda superficies
de fricción son llevadas alternativamente a contacto con las
correspondientes primera y segunda caras.
Preferiblemente el amortiguador tiene
sustancialmente forma de cuña en sección transversal.
Preferiblemente dichos extremos separados más
cercanos de dicha primera superficie de fricción y dicha segunda
superficie de fricción están unidas mediante una superficie convexa
curvada.
Preferiblemente la diferencia entre el ángulo
formado por dicha primera superficie de fricción y dicha segunda
superficie de fricción y el ángulo formado por dicha primera cara y
dicha segunda cara es de aproximadamente 10º. En una realización
particular preferida de la invención, el ángulo formado por dicha
primera superficie de fricción y dicha segunda superficie de
fricción es de aproximadamente 110º, y el ángulo formado por dicha
primera cara y dicha segunda cara es de aproximadamente 120º.
Una realización de la invención será ahora
descrita, sólo para fines de ilustración, con referencia a los
dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista en sección transversal
esquemática que muestra dos álabes de turbina adyacentes montados
en un disco y provistos de amortiguadores de fricción de la técnica
anterior;
la Figura 2 es una vista en sección transversal
esquemática de un amortiguador de fricción de la técnica
anterior;
la Figura 3 es una vista esquemática en sección
transversal de un amortiguador de fricción de acuerdo con la
invención.
Haciendo primero referencia a la Figura 1, un
motor de turbina de gas incluye una pluralidad de álabes de turbina
10 montados alrededor de la circunferencia y un disco giratorio 12.
Cada álabe de turbina 10 incluye un perfil aerodinámico 14, que
sobresale dentro de un fluido de trabajo que fluye axialmente a
través de la turbina. Los álabes 10 están montados sobre el disco
12 por medio de partes de raíz encajadas 16 que se fijan en las
cavidades correspondientemente conformadas 18 en el disco 12.
Situada entre el perfil aerodinámico 14 y la
parte de raíz 16 de cada álabe 10 hay una plataforma 20 que tiene
caras en ángulo 22 sobre su lado radialmente interior. Las caras en
ángulo 22 de dos álabes adyacentes 10 forman una V invertida, que
define el límite radialmente exterior de la cavidad 24 del
amortiguador. Cada cavidad de amortiguador 24 aloja un amortiguador
de fricción axialmente alargado 26 con sección transversal
sustancialmente con forma de cuña que tiene superficies de fricción
en ángulo 28 de forma complementaria con la V invertida formada por
las caras en ángulo 22. El ángulo formado por las superficies de
fricción 28 está diseñado para que sea el mismo que el ángulo
formado por las caras en ángulo 22.
Cuando el disco 12 y los álabes de turbina 10
giran, las fuerzas centrifugas empujan el amortiguador de fricción
26 radialmente hacia fuera de manera que sus superficies de fricción
28 son forzadas a contacto plano con las caras en ángulo 22 de las
plataformas 20. Si el álabe 10 vibre, esto hace que las superficies
de fricción 28 se deslicen contra las caras en ángulo 22, disipando
de este modo la emergía de vibración y reduciendo la vibración.
Haciendo referencia a la Figura 2, se muestra la
situación que puede surgir bajo ciertos modos de vibración, cuando
las posiciones de los álabes de turbina son tales que el ángulo
formado por las caras en ángulo 22 ya no es el mismo que el ángulo
formado por las superficies de fricción 28. El amortiguador de
fricción 26 está en contacto con las plataformas 20 sólo a lo largo
de dos líneas 30 y será evidente que se ha perdido el contacto
plano necesario para permitir el movimiento de deslizamiento entre
las caras en ángulo 22 y las superficies de fricción 28. El
amortiguador de fricción 26 tenderá de hecho a pivotar alrededor de
los dos contactos de línea 30 y dará lugar a amortiguación no
efectiva.
Haciendo referencia ahora a la Figura 3, se
muestra una realización de un amortiguador de fricción de acuerdo
con la presente invención. La disposición general del conjunto de
álabe de turbina es el mismo que en la Figura 1. En una realización
particular preferida de la invención, el ángulo formado por las
caras en ángulo 22a y 22b sobre el lado radialmente interior e las
plataformas 20a y 20b es de aproximadamente 120º. El amortiguador
46 es axialmente alargado y tiene sustancialmente forma de cuña en
sección transversal, con superficies de fricción convergentes 48a
y 48b es su lado radialmente exterior. El ángulo formado por las
superficies de fricción 48a y 48b es más pequeño que el ángulo
formado por las caras en ángulo 22a y 22b; en una realización
particular preferida, el ángulo formado por las caras de fricción
48a y 48b es de aproximadamente 110º. Se apreciará que son posibles
realizaciones alternativas, en las que son formados diferentes
ángulos por las caras en ángulo 22a y 22b o por las superficies de
fricción 48a y 48b, pero en las que el ángulo formado por las
superficies de fricción 48a y 48b es todavía más pequeño que el
ángulo formado por las caras en ángulo 22a y 22b.
La masa del amortiguador 46 está dispuesta de
manera que su centro de gravedad se sitúa en un plano que bisecta
el ángulo formado por las superficies de fricción 48a y 48b. Se
apreciará que, aunque en esta realización de la invención en
amortiguador 46 tiene sustancialmente forma de cuña en sección
transversal, son posibles otras formas o configuraciones del
amortiguador 46 en las que su centro de gravedad se sitúa en un
plano que bisecte en ángulo formado por las superficies de fricción
48a y 48b.
Los extremos separados más próximos de las
superficies de fricción 48a y 48b están separados por una distancia
al menos tan grande como la separación circunferencial máxima entre
los extremos radialmente exteriores de las caras en ángulo 22a y
22b. Esto evita la tendencia de que el amortiguador 46 se
"bloquee" entre las plataformas 20a y 20b. En una realización
particular preferida de la invención, los extremos separados más
próximos de las superficies de fricción 48a y 48b están unidos
mediante una superficie convexa curvada 52. Sin embargo, se
apreciará que son posibles realizaciones alternativas de la
invención en las que los extremos separados más próximos de las
superficies de fricción 48a y 48b están unidos mediante una
superficie de diferentes forma, por ejemplo una superficie
plana.
Haciendo referencia todavía a la Figura 3, se
puede observar que las partes de la s plataformas 20a y 20b son
similares a las partes de las plataformas 20 de la Figura 2. Ahora,
sin embargo, una superficie de fricción 48b del amortiguador 46
está en contacto plano con la cara en ángulo 22b de la plataforma
20b asociada con uno de los álabes de turbina, y hay adicionalmente
un contacto de línea entre el amortiguador 46 y la plataforma 20a
asociada con el álabe de turbina adyacente. Esto permite que el
movimiento de deslizamiento tenga lugar entre el amortiguador 46 y
la plataforma de álabe 20b, amortiguando las vibraciones de los
álabes de turbina.
La presente invención también proporciona un
segundo mecanismo para amortigua la vibración. El amortiguador 46
está sometido a un movimiento, producido por las vibraciones de los
álabes de turbina Este movimiento fluctúa en respuesta al modo de
vibración particular que actúa sobre él. Debido a que el centro de
gravedad del amortiguador 46 se sitúa en un plano que bisecta al
ángulo formado por las superficies de fricción 48a y 48b, este
movimiento de fluctuación tenderá a hacer que el amortiguador 46
oscile o vibre dentro de la cavidad del amortiguador, llevando las
superficies de fricción 48a y 48b en contacto alternativamente con
las caras en ángulo 22a y 22b. El efecto percutor de estos
contactos alternativos actúa como un mecanismo de perdida de energía
adicional, pero no en detrimento de los medios principales de
amortiguación, mediante el movimiento de deslizamiento entre las
superficies de fricción 48a y 48b y las caras en ángulo 22a y
22b.
Claims (6)
1. Un amortiguador de vibración (46) de álabe
con álabe para un motor de turbina de gas, incluyendo el
amortiguador (46) una primera superficie de fricción (48a) para
entrar en contacto con una primera cara (22a) asociada con una
álabe de turbina y una segunda superficie de fricción (48b) para
entrar en contacto con una segunda cara (22b) asociada con una
álabe de turbina adyacente, siendo dichas primera y segunda
superficies de fricción (48a, 48b) y dichas primera y segunda caras
(22a, 22b) planas, siendo dicha primera superficie de fricción
(48a) y dicha segunda superficie de fricción (48b) convergentes,
estando los extremos separados más próximos de dicha superficie de
fricción (48a) y dicha segunda superficie de fricción (48b)
separados por una distancia al menos tan grande como la separación
circunferencial máxima entre los extremos radialmente exteriores de
dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b), siendo el
ángulo formado por dicha primera superficie de fricción (48a) y
dicha segunda superficie de fricción (48b) más pequeño que el ángulo
formado por dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b);
caracterizado porque la masa del amortiguador (46) está
dispuesta de manera que el centro de gravedad de dicho amortiguador
(46) se sitúa en un plano que bisecta el ángulo formado por dichas
superficie de fricción (48a, 48b) de manera que durante el uso, al
menos parte de la amortiguación de vibración se efectúa mediante la
oscilación del amortiguador (46) de manera que dicha primera y
segunda superficies de fricción (48a, 48b) son llevadas
alternativamente a contacto con las correspondientes primera y
segunda caras (22a, 22b).
2. Un amortiguador (46) de acuerdo con la
Reivindicación 1, en el que dicho amortiguador (46) tiene
sustancialmente forma de cuña en sección transversal.
3. Una amortiguador de acuerdo con la
reivindicación 1 ó la Reivindicación 2, en el que dichos extremos
separados más próximos de dicha primera superficie de fricción
(48a) y dicha segunda superficie de fricción (48b) están unidos
mediante una superficie convexa, curvada (52).
4. Un amortiguador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que la diferencia entre el
ángulo formado por dicha primera superficie de fricción (48a) y
dicha segunda superficie de fricción (48b) y el ángulo formado por
dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b) es de
aproximadamente 10º.
5. Un amortiguador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que el ángulo formado por
dicha primera superficie de fricción (48a) y dicha segunda
superficie de fricción (48b) es de aproximadamente 110º.
6. Un amortiguador de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que el ángulo formado por
dicha primera cara (22a) y dicha segunda cara (22b) es de
aproximadamente 120º.
Applications Claiming Priority (2)
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