ES2274395T3 - Reduccion de holguras de una turbina de gas. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas, en particular para un motor de aeronave, que comprende una rueda montada para rotación en un cárter (14, 16) y que lleva álabes (10) cuyos vértices están a una pequeña distancia radial de una superficie interior del cárter, y medios de reducción de las holguras entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter, comprendiendo los medios de reducción de las holguras talones (26) montados radialmente deslizantes en el vértice de los álabes (10), caracterizada porque los talones (26) están guiados en una ranura anular (34) del cárter (14, 16).

Description

Reducción de holguras de una turbina de gas.

El invento se refiere esencialmente a medios de reducción de holguras entre los vértices de los álabes móviles y la superficie interior del cárter de una turbina de gas, tal como especialmente una turbina de alta presión para un motor de aeronave.

En este tipo de turbina, se conoce fijar talones periféricos en el vértice de los álabes para limitar las holguras radiales entre los vértices de los álabes y una capa de material abrasivo que va sobre un anillo fijado al cárter de la turbina. Estos talones pueden tener nervaduras circunferenciales o elementos de sellado que están sensiblemente en contacto con el material abrasivo para asegurar una estanquidad axial entre el cárter y los vértices de los álabes móviles.

Estos talones periféricos tienen el inconveniente de formar una masa suplementaria en la periferia de la rueda de la turbina, estando esta masa sometida a fuerzas centrífugas en funcionamiento y que plantean problemas de comportamiento mecánico y de comportamiento vibratorio de los álabes móviles.

La supresión de estos talones obliga a reducir la holgura radial anteriormente mencionada durante el montaje (holgura en frío), con un riesgo de contacto entre los vértices de los álabes y el cárter durante el funcionamiento, y el correspondiente riesgo de deterioro de la turbina, o de recurrir a medios de control activo de la holgura, que son caros, pesados y difíciles de dominar. A falta de ello, la holgura radial entre los vértices de los álabes y el cárter puede ser relativamente importante, lo que se traduce en la correspondiente degradación de las prestaciones de la turbina.

Además, esta holgura radial puede variar localmente entre un valor mínimo y un valor máximo, como consecuencia de una ovalización del cárter, de una diferencia de altura de las paletas, de un defecto de concentricidad entre el cárter y la rueda de la turbina, etc...

Por el documento US-A-3.117.716 y el resumen del documento JP-A-62 142.805 también se conoce reducir las holguras entre los vértices de los álabes móviles y el cárter por medio de talones montados radialmente deslizantes en el vértice de los álabes y retenidos en los álabes por medios neumáticos o elásticos que son poco eficaces o muy difíciles de montar.

El invento tiene sobre todo como objeto aportar una solución simple, satisfactoria y económica a estos problemas.

Propone para este fin una turbina de gas, en particular para un motor de aeronave, que comprende una rueda de turbina montada para rotación en un cárter y que lleva álabes cuyos vértices están a una pequeña distancia radial de una superficie interior del cárter, y medios de reducción de las holguras entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter, comprendiendo los medios de reducción de las holguras talones montados radialmente deslizantes en el vértice de los álabes, caracterizado porque los talones están guiados en una ranura anular del cárter.

En la turbina según el invento, en la puesta en rotación de la rueda de turbina, los talones son automáticamente solicitados hacia la superficie interior del cárter por fuerzas centrífugas sin realizar esfuerzo sobre los álabes de la rueda. Así se evitan los problemas mecánicos vibratorios que se producen en las turbinas con álabes móviles equipados con talones periféricos fijos, y se aumentan las prestaciones de la turbina por la supresión de las holguras radiales entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter.

Según otra característica del invento los talones son de un material ligero y resistente al desgaste y a las temperaturas elevadas, siendo este material preferentemente uno cerámico.

Se asegura así a lo largo del tiempo un mantenimiento de la estanquidad axial entre los vértices de los álabes y la pared interior del cárter y se garantizan a lo largo del tiempo las prestaciones de la turbina.

Según además otra característica del invento, los talones anteriormente citados tienen cada uno una placa curvada hacia adentro destinada a extenderse a lo largo de la superficie interior del cárter.

Esta pieza curvada hacia adentro tiene una superficie superior a la del vértice del álabe sobre el que está montada, lo que mejora más la estanquidad axial anteriormente citada entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter.

Ventajosamente, al menos dos nervios paralelos circunferenciales que forman elementos de sellado son presentados por la cara de esta placa girada hacia la cara interior del cárter.

Estos elementos de sellado reducen más la sección de paso del aire entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter.

En un primer modo de realización del invento cada talón anteriormente citado está, al menos parcialmente, encajado en una bañera formada en el vértice del álabe.

En este caso el talón delimita ventajosamente con las paredes de la bañera pasos de circulación de aire de refrigeración que son alimentados por canales que desembocan en el fondo de la bañera por medio de orificios de despolvoramiento.

En otra forma de realización del invento, aplicable al caso en el que los álabes no tienen bañera en su vértice, cada talón anteriormente citado está encajado en el vértice del álabe.

El invento es aplicable a las turbinas cuyas superficies interiores de cárter definen venas de sección cilíndrica constante o de sección divergente.

El invento se comprenderá mejor, y otras características, detalles y ventajas de éste se verán más claramente mediante la lectura de la descripción que sigue, realizada a modo de ejemplo con referencia a los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 es una vista esquemática parcial en sección axial que representa la holgura radial entre el vértice de un álabe móvil y la superficie cilíndrica interior de un cárter de turbina;

- la figura 2 es una vista superior del vértice del álabe de la figura 1;

- la figura 3 es una vista esquemática parcial en sección axial de un primer modo de realización del invento;

- la figura 4 es una vista superior del vértice del álabe de la figura 3;

- la figura 5 es una vista esquemática parcial en sección axial a escala mucho mayor del vértice del álabe de las figuras 3 y 4;

- la figura 6 es una vista esquemática parcial en sección axial de una variante de realización del invento.

Haciendo referencia primeramente a las figuras 1 y 2, que representan esquemáticamente la técnica anterior al presente invento, designando la referencia 10 un álabe de una rueda de turbina de alta presión montada para rotación alrededor de un eje 12 en un cárter 14 que comprende un anillo metálico fijo 16 que rodea la rueda de turbina y cuya superficie cilíndrica interior está recubierta con una capa 18 de un material abrasivo de un tipo muy conocido en la técnica.

El vértice del álabe 10 está situado a una distancia relativamente muy pequeña de la capa 18 de material abrasivo y tiene una cavidad 20 denominada "bañera" en la técnica, cuyo fondo tiene orificios de despolvoramiento 22, que forman las salidas de conductos de circulación de aire de refrigeración que están dispuestos en el álabe 10.

Como se ha indicado anteriormente, la holgura radial 24 entre el vértice del álabe 10 y la capa 18 de material abrasivo que forma la superficie interior del cárter también debe ser lo más reducida posible para evitar cualquier degradación de las prestaciones de la turbina.

Para esto, el invento propone, como se ha representado en las figuras 3 a 5, montar un talón periférico 26 radialmente deslizante en el vértice del álabe 10, estando este talón periférico 26 parcialmente insertado o alojado en la bañera 20 del vértice del álabe 10.

En el modo de realización representado en las figuras 3 a 5 este talón 26 tiene una parte radialmente interior 28 insertada en la bañera 20 del álabe 10 y otra parte radialmente exterior 30 con forma de placa curvada hacia adentro en parte de cilindro, de contorno paralelepipédico como está representado en la figura 4, que se extiende a lo largo de la capa 18 de material abrasivo a una distancia muy pequeña de ésta, y que tiene un área o superficie en el plano de la figura 4 notablemente superior a la de la parte 28 insertada en la bañera 20.

La cara radialmente exterior de esta placa 30 está formada con nervaduras paralelas circunferenciales 32, por ejemplo en número de dos, como se ha representado, cuyos vértices están en contacto con la capa 18 de material abrasivo y forman con ésta una junta de laberinto destinada a impedir cualquier circulación de aire en el sentido axial entre la placa 30 y la capa 18 de material abrasivo durante el funcionamiento de la turbina.

El talón 26 montado en el extremo del álabe 10 está alojado parcialmente y guiado en una ranura o garganta anular 34 del anillo 16, en el fondo de la cual está dispuesta la capa 18 de material abrasivo. Este montaje mantiene en posición el talón 30 en el extremo del álabe 10, tanto en dirección axial como en dirección radial.

Los talones 26 están realizados de un material preferentemente ligero y resistente al desgaste así como a las temperaturas elevadas, siendo este material preferentemente uno cerámico.

En funcionamiento, los talones 26 son impulsados en rotación alrededor del eje de la turbina con los álabes 10 y son sometidos a fuerzas centrífugas que les son aplicadas en la capa 18 de material abrasivo.

El apoyo de los vértices de las nervaduras 32 en la capa 18 se traduce en una supresión de las holguras radiales de paso de aire en dirección axial entre los vértices de los álabes 10 y la superficie interior del cárter, lo que aumenta las prestaciones de la turbina. Este apoyo de los talones 26 en la capa 18 no impone esfuerzo suplementario alguno a los álabes 10.

Por otra parte, el montaje deslizante de los talones 26 en los vértices de los álabes permite una adaptación automática a los defectos geométricos de las paletas y del anillo, debidos por ejemplo a una ovalización del cárter, a diferencias de altura de las paletas, a un defecto de concentricidad del cárter y de la rueda de turbina, etc...

Como se ha representado en la figura 5, el aire de refrigeración del álabe 10 que sale por los orificios de despolvoramiento formados en el fondo de la bañera 20, circula por los pasos formados entre el talón 26 y las paredes laterales 36 de la bañera y contribuye así a la refrigeración de estas paredes.

En la variante de realización de la figura 6 el vértice del álabe 10 no tiene bañera y el talón periférico 26 está entonces encajado en el vértice del álabe 10 y va, por ejemplo, a cubrir una nervadura periférica 38 del vértice del álabe.

Como anteriormente, el talón 26 tiene elementos de sellado 32 en su cara radialmente exterior y está guiado y retenido en una ranura o garganta anular 34 del anillo 14.

Como variante, los medios de inserción o de encajamiento de los talones 26 sobre los vértices de los álabes 10 están dimensionados y conformados de forma apropiada para evitar a ellos solos cualquier riesgo de desencajamiento de los talones. En este caso, las gargantas anulares 34 formadas en la superficie interior del cárter son una garantía suplementaria de retención de los talones y podrían eventualmente ser suprimidas.

Las placas 30 que forman las partes radialmente exteriores de los talones 26 pueden tener una extensión más o menos grande con respecto a las dimensiones de los vértices de los álabes 10 y, si es necesario, estas placas 30 pueden tener una armadura, por ejemplo metálica, de rigidización.

Para el montaje, los talones 26 pueden ser mantenidos sobre los vértices de los álabes por pegado o por una unión tal como una arandela o un zunchado rodeando los talones 26 y la corona de álabes.

Claims (13)

1. Turbina de gas, en particular para un motor de aeronave, que comprende una rueda montada para rotación en un cárter (14, 16) y que lleva álabes (10) cuyos vértices están a una pequeña distancia radial de una superficie interior del cárter, y medios de reducción de las holguras entre los vértices de los álabes y la superficie interior del cárter, comprendiendo los medios de reducción de las holguras talones (26) montados radialmente deslizantes en el vértice de los álabes (10), caracterizada porque los talones (26) están guiados en una ranura anular (34) del cárter (14, 16).

2. Turbina de gas según la reivindicación 1, caracterizada porque los talones (26) son de material ligero y resistente al desgaste y a las temperaturas elevadas.

3. Turbina de gas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque los talones (26) son de cerámica.

4. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los talones (26) tienen partes radialmente exteriores (30) con forma de placas curvadas hacia adentro, destinadas a extenderse a lo largo de la superficie interior del cárter.

5. Turbina de gas según la reivindicación 4, caracterizada porque la parte radialmente exterior (30) con forma de placa de los talones (26) tiene una armadura de rigidización.

6. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque cada talón tiene nervaduras circunferenciales paralelas (32) que forman elementos de sellado en su cara girada hacia la superficie interior del cárter.

7. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la superficie interior del cárter enfrente de los talones (26) tiene una capa (18) de material abrasivo.

8. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los talones (26) están encajados sobre los vértices de los álabes (10).

9. Turbina de gas, en particular de gas según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque los talones (26) están, al menos parcialmente, insertados en bañeras (20) formadas en el vértice de los álabes (10).

10. Turbina de gas según la reivindicación 9, caracterizada porque los talones (26) delimitan con las paredes (36) de las bañeras (20), pasos de circulación de aire de refrigeración, alimentados por canales que desembocan en el fondo de las bañeras.

11. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque comprende medios (20, 34, 38) de mantenimiento axial y radial de los talones (26) sobre los vértices de los álabes (10).

12. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque, para el montaje, los talones (26) están mantenidos en los vértices de los álabes por pegado o por una unión que rodea los álabes.

13. Turbina de gas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la superficie interior del cárter enfrente de los talones (26) es cilíndrica divergente o de sección constante.