ES2285371T3 - Realizacion de turbinas para turbomaquinas que tienen alabes con frecuencias de resonancia diferentemente ajustadas y una turbina escalonada de esa clase. - Google Patents

Realizacion de turbinas para turbomaquinas que tienen alabes con frecuencias de resonancia diferentemente ajustadas y una turbina escalonada de esa clase. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la fabricación de una turbina para turbomáquina, comprendiendo la turbina, al menos, una rueda móvil provista de álabes, por cuyo procedimiento se utilizan, para la rueda móvil o cada rueda móvil, álabes (40; 140) que comprendan, cada uno, al menos, dos palas (42; 44) unidas con una plataforma externa (46), una plataforma interna (48) y un pie (60; 160), comunes, caracterizado porque, al menos, algunos de los álabes presentan un pie hueco en el que está formado un vaciado, y, deliberadamente, se proporcionan configuraciones diferentes a los vaciados de los pies (60; 160) de álabes que pertenezcan a una misma rueda y/o de los pies (60; 160) de álabes que pertenezcan a dos ruedas diferentes, con el fin de ajustar las frecuencias de resonancia propias de estos álabes a valores sensiblemente diferentes y conseguir así un desacuerdo en frecuencia entre álabes de una misma rueda y/o de dos ruedas diferentes.

Description

Realización de turbinas para turbomáquinas que tienen álabes con frecuencias de resonancia diferentemente ajustadas y una turbina escalonada de esa clase.
Antecedentes de la invención
La invención se refiere a las turbomáquinas, en particular a las turbinas aeronáuticas y a las turbinas de gas industriales. De modo más particular, la invención se refiere a las turbinas de tales turbomáquinas, y, más concretamente todavía, al ajuste de la frecuencia de resonancia de los álabes de las turbinas.
Habitualmente, los álabes de turbinas comprenden una pala, unida con una plataforma externa y una plataforma interna, que se prolonga mediante un pie para la fijación del álabe en el rotor de la turbina.
Es importante evitar la aparición de vibraciones indeseables en las turbinas de turbomáquinas, y, en particular, vibraciones causadas por fenómenos de resonancia a los distintos regímenes de funcionamiento de la turbomáquina.
Pero, habida cuenta de los requisitos en términos de perfil aerodinámico de la pala, masa y volumen, las posibilidades de ajuste de la frecuencia de resonancia de los álabes en función de su geometría son limitadas.
Así, en el documento FR 1 578 562 se ha propuesto dotar a los álabes monopala de una rueda de características diferentes, tales como longitudes diferentes de los pies de los álabes en dirección radial, o dimensiones diferentes al nivel de los enganches de los álabes en el rotor. Pero, tales soluciones son perjudiciales en términos de masa de los álabes o de complejidad de fabricación del rotor o de los enganches de los álabes en el rotor.
El documento US-A-5474421 divulga una agrupación de palas que corresponde a los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 6.
Objeto y compendio de la invención
La invención tiene por objeto proponer un procedimiento de realización de una turbina para turbomáquina que permita prevenir la aparición de vibraciones indeseables.
La invención tiene por objeto, también, proponer un procedimiento que ofrezca una gran facilidad de ajuste de la frecuencia de resonancia de un álabe de turbina, sin perjudicarla desde el punto de vista de sus características aerodinámicas y masa, y sin complicar el montaje de los álabes o la fabricación del motor.
La invención tiene por objeto, además, proponer una turbina para turbomáquina que presente un riesgo muy reducido de aparición de vibraciones indeseables, sin afectar a sus prestaciones.
De acuerdo con un primer aspecto, la invención tiene por objeto un procedimiento para la fabricación de una turbina para turbomáquina, comprendiendo la turbina, al menos, una rueda móvil provista de álabes, de acuerdo con cuyo procedimiento se utilizan en la rueda móvil o en cada rueda móvil, álabes que comprendan, cada uno, al menos, dos palas unidas con una plataforma externa, una plataforma interna y un pie, comunes, presentado al menos algunos de los álabes un pie hueco en el que hay formado un vaciado, y, deliberadamente, se proporciona a los pies de álabes que pertenezcan a una misma rueda y/o a los pies de álabes que pertenezcan a dos ruedas diferentes, configuraciones diferentes al nivel de los vaciados de sus pies, con el fin de ajustar las frecuencias de resonancia propias de estos álabes a valores sensiblemente diferentes y obtener así un desacuerdo en frecuencia entre álabes de una misma rueda y/o de dos ruedas diferentes.
La utilización de un pie común a varias palas permite mejorar la posibilidad de modificación de la configuración del vaciado del pie con el fin de ajustar la frecuencia de resonancia de un álabe, en comparación con una rueda formada, tradicionalmente, por álabes monopala.
Por tanto, se puede conseguir así, de manera más fácil, un desacuerdo entre frecuencias de resonancia de álabes de una misma rueda móvil o entre frecuencias de resonancia de álabes que pertenezcan a ruedas móviles diferentes, lo que reduce los riesgos de aparición de vibraciones.
De acuerdo con otro de sus aspectos, la invención tiene por objeto un procedimiento de ajuste de la frecuencia de resonancia de un álabe móvil de turbina para turbomáquina, por cuyo procedimiento se fabrica el álabe con, al menos, dos palas unidas con una plataforma interna, una plataforma externa y un pie, comunes, y se ajusta la frecuencia de resonancia propia del álabe merced a la formación un vaciado en el pie del álabe.
En particular, se puede fabricar el álabe con un pie en forma de bulbo y se ajusta la frecuencia de resonancia por modificación del grosor del material, a una y otra parte del vaciado, al nivel de una parte del pie en forma de cuello.
Ventajosamente, en el caso de un álabe de turbina destinado a una turbomáquina con un compresor de alta presión (AP) y un compresor de baja presión (BP), la frecuencia de resonancia del álabe se ajusta a un valor superior, en más de un 14%, al modo de excitación correspondiente a N_{2}-N_{1}, siendo N_{2} y N_{1} las velocidades de rotación de los compresores de AP y BP.
De acuerdo con todavía otro aspecto de la invención, ésta tiene por objeto una turbina por etapas para turbomáquina, cuya turbina comprende, al menos, una rueda móvil provista de álabes que comprenden, cada uno, al menos, dos palas unidas con una plataforma externa, una plataforma interna y un pie, comunes, en cuya turbina al menos algunos de los álabes de una rueda móvil y/o de ruedas móviles diferentes tienen un pie hueco en el que está formado un vaciado, y presentan configuraciones diferentes al nivel de sus vaciados, de manera que estos álabes tengan frecuencias de resonancia sensiblemente
diferentes.
El vaciado formado en un pie de álabe puede estar abierto, al menos, por un lado del pie, y puede ser ciego.
Algunos de los álabes pueden tener un pie macizo, sin vaciado.
Breve descripción de los dibujos
La invención se comprenderá mejor a partir de la lectura de la descripción que sigue, a título indicativo pero no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 es una vista esquemática parcial, en corte, de parte de una turbomáquina;
- la figura 2 es una vista, ampliada, de parte de la figura 1;
- la figura 3 es una vista esquemática, en perspectiva, de un álabe de turbina que aplica la invención;
la figura 4 es una vista esquemática, a escala ampliada, de la parte de extremo interna del álabe de la figura 3;
- la figura 5 es una vista esquemática, a escala ampliada, que muestra la disposición yuxtapuesta, en una rueda móvil de turbina, de dos partes de extremo internas de álabes tales como el de la figura 3;
- la figura 6 muestra curvas que representan la frecuencia de resonancia de un álabe tal como el de la figura 3 y de un álabe monopala, en función del régimen de rotación; y
- la figura 7 es una vista esquemática, a escala ampliada, de la parte de extremo interna de un álabe móvil de acuerdo con otro modo de realización de la invención.
Descripción detallada de modos de realización
La figura 1 muestra muy esquemáticamente, en semisección meridiana, una turbina de turbomáquina, por ejemplo, de turborreactor de avión.
De manera bien conocida, la turbina 10 comprende una parte de turbina de alta presión (turbina de AP) 12 acoplada con un árbol (no representado) de accionamiento en rotación de un compresor de alta presión (compresor de AP), tampoco representado, y una parte de turbina de baja presión (turbina de BP) 16. Esta última comprende varias etapas con conjuntos 18 de álabes fijos 20 solidarios con un estator externo 22, y ruedas 24 de álabes móviles 40 unidos con un rotor 26. El rotor 26 está acoplado con un árbol (no representado) de accionamiento en rotación de un compresor de baja presión (compresor de BP), tampoco representado.
Como muestra más claramente la figura 2, los álabes fijos 20 comprenden una pala 30, una plataforma externa 32 mediante la cual el álabe se une con el estator 22, y una plataforma interna 34. Esta última está provista de un revestimiento abrasivo 36 frente a lonchetas 38 de estanqueidad montadas en el rotor 26.
De acuerdo con una característica de la invención, los álabes móviles 40 son álabes multipala. En el ejemplo ilustrado en la figura 3, cada álabe móvil 40 comprende dos palas 42, 44. Las palas 42, 44 están unidas por sus extremos con una plataforma externa 46 y una plataforma interna 48, comunes. Un pie 60, común a las palas 42, 44, sobresale del lado interno de la plataforma 48 para unir el álabe 40 con el rotor 26.
Del lado externo, la plataforma externa 46 presenta lonchetas 50 de estanqueidad frente a un revestimiento abrasivo 52 montado en el estator 22 (figura 2).
En el modo de realización ilustrado, el pie 60 es un pie hueco en forma de bulbo. El pie 60 presenta un vaciado ciego 62 formado en una parte de su grosor. Como muestra la figura 4, el vaciado 62 está abierto por un lado 60a del pie, en este caso por el lado de aguas abajo (en el sentido de flujo de gas en la turbina). El vaciado está abierto, también, a través de un orificio 63, en la base del pie 60. De ese modo, puede establecerse una circulación de aire en el vaciado 62, que contribuya a la refrigeración del pie y de la plataforma interna del álabe. El pie hueco puede obtenerse, directamente, por fundición del álabe. El vaciado puede obtenerse, también, por mecanizado de un pie macizo.
La conexión entre el álabe 40 y el rotor 26 se realiza por aplicación del pie 60 en un alojamiento de forma correspondiente formado en la periferia de un disco del rotor. Una vez montados los álabes en el rotor para formar una rueda completa, las caras externas de las plataformas internas 48 se sitúan en la continuidad de la superficie interna de la vena en la que se extiendan las palas 42, 44. En relación con una rueda que comprenda el mismo número de palas, pero con álabes monopala, el número de juegos entre álabes contiguos se reduce a la mitad. Ello permite mejorar las prestaciones de la turbina merced a la disminución de las fugas entre plataformas de álabes. La estanqueidad al nivel de la unión entre las plataformas internas de dos álabes contiguos puede mejorarse mediante una pieza 54 que constituya un deflector (figura 5). La pieza 54 es un sector anular de perfil en U invertida que cubre la unión entre dos plataformas internas adyacentes, y que está en contacto con las caras internas de las partes de extremo de estas plataformas, apoyándose las alas de la pieza 54 contra los costados enfrentados de los pies 60 de los dos álabes adyacentes.
Además, la plataforma externa 46 del álabe 40 tiene una dimensión circunferencial superior a la de una plataforma externa de álabe monopala. Ello permite formar una o varias lonchetas 50 de estanqueidad que se extiendan de manera continua en una distancia mayor en dirección longitudinal, por tanto, ofrece una posibilidad de mejora de la estanqueidad entre la corona de los álabes móviles 40 y el revestimiento abrasivo situado, enfrente, en el estator 22.
De acuerdo con una característica particular de la invención, el ajuste de la frecuencia de resonancia propia de un álabe móvil 40 se consigue por modificación de la configuración del pie del álabe.
Mediante un pie 60 hueco, tal como el del ejemplo de realización ilustrado en las figuras 3 y 4, el ajuste de la frecuencia de resonancia puede realizarse regulando el grosor de material al nivel del cuello 64, o parte más estrecha del pie, es decir, la suma de los grosores 64a y 64b (figura 4) de cada lado del vaciado. La regulación de grosor puede efectuarse modificando en un sentido u otro la anchura del vaciado 62 al nivel del cuello 64, lo que no influye en las dimensiones exteriores del pie 60. Los grosores 64a y 64b no son necesariamente iguales. Se ofrece, entonces, una libertad de ajuste muy grande de la frecuencia de resonancia del álabe sin afectar al comportamiento aerodinámico ni al volumen del álabe móvil.
Se apreciará, además, que la realización de un pie hueco contribuye a reducir la masa del álabe móvil, ofreciendo al mismo tiempo una posibilidad de refrigeración merced a la presencia de una cavidad abierta cerca de la plataforma interna, y ello sin afectar al comportamiento mecánico. En el ejemplo ilustrado, este comportamiento mecánico, en particular la capacidad de soportar las tensiones ejercidas sobre el álabe móvil, es, principalmente, función de los grosores de la plataforma interna y de los costados 66a, 66b del pie 60, así como de la base 68 del pie 60.
En la figura 6, la curva I representa la frecuencia de resonancia propia F de un álabe móvil de turbina de BP de turborreactor aeronáutico, tal como el de las figuras 3 y 4, en función de la velocidad de rotación de la turbina de BP. Esta frecuencia F ha podido ajustarse en función del grosor de material al nivel del cuello del pie hueco. En la misma figura, la curva N_{2}-N_{1} representa el modo de excitación principal a las frecuencias más bajas, siendo N_{2} y N_{1}, respectivamente, las velocidades de rotación de las turbinas de AP y BP.
A título de comparación, la curva II representa la frecuencia de resonancia propia F' de un álabe móvil monopala existente con una pala de las mismas dimensiones y forma que la de cada una de las dos palas del álabe de frecuencia de resonancia igual a F, estando destinados el álabe monopala y el álabe bipala a formar ruedas de turbina con las mismas dimensiones, intercambiables.
Se constata que la frecuencia de resonancia F' presenta, al régimen de rotación elevado, un valor solamente un 14% superior al correspondiente al modo de excitación N_{2}-N_{1}. Pero, se comprueba que, en la práctica, un aumento de la frecuencia F', a fin de alejarla más del modo de excitación N_{2}-N_{1}, no resulta posible sin afectar al comportamiento mecánico o aerodinámico del álabe monopala.
Por el contrario, mediante la utilización de un álabe bipala, es posible ajustar la frecuencia de resonancia propia en función de la configuración del pie común a las dos palas para proporcionarla un valor suficientemente alejado del valor del modo de excitación N_{2}-N_{1}, con el fin de evitar un riesgo de vibraciones indeseables, en particular un valor superior en más de un 14%, y, de preferencia, de, al menos, un 20%, al modo N_{2}-N_{1}. Así, como muestra la figura 6, la frecuencia de resonancia F obtenida mediante el álabe bipala utilizado ha podido ajustarse a un valor un 35% superior al modo de excitación N_{2}-N_{1}, es decir, un 21% más en relación con el álabe monopala.
Por otro lado, de acuerdo con otra característica de la invención, la libertad ofrecida en relación con el ajuste de la frecuencia de resonancia de los álabes móviles permite regular esta frecuencia con valores sensiblemente diferentes para álabes que pertenezcan a una misma rueda móvil y/o para álabes que pertenezcan a diferentes ruedas móviles que constituyan la turbina de BP. Por valores sensiblemente diferentes se entiende, en este caso, valores de frecuencia de resonancia diferentes en, al menos, un 1%. Ventajosamente, las diferentes frecuencias se ajustan a valores superiores en más de un 14%, y, de preferencia, de, al menos, un 20%, al modo de excitación de baja frecuencia N_{2}-N_{1}, tal como se ha definido en lo que antecede.
Así, en al menos algunas de las ruedas móviles, y, de preferencia, en cada una de las ruedas móviles que formen una etapa de turbina de BP, se podrán utilizar álabes que no tengan todos las mismas frecuencias de resonancia, con el fin de obtener un desacuerdo en frecuencia de la rueda móvil. La variación de frecuencia de resonancia se consigue proporcionando formas o dimensiones diferentes a los vaciados de los pies. Es posible, también, montar, en una misma rueda, álabes de pie hueco con álabes de pie macizo, sin vaciado. Con el fin de limitar el número de piezas diferentes, se podrá utilizar, para una misma rueda, solamente algunas configuraciones diferentes de pies de álabes. Se evita así la aparición de vibraciones, simultáneamente, en todos los álabes de una rueda.
Igualmente, se puede proporcionar a los álabes de una rueda móvil una frecuencia de resonancia diferente de la de los álabes de otra rueda móvil, con el fin de conseguir un desacuerdo en frecuencia entre ruedas móviles diferentes. La variación de frecuencia de resonancia entre una rueda y otra puede lograrse seleccionando, en particular, las formas y/o dimensiones de los vaciados de los pies de álabes. Es posible, también, fabricar algunas de las ruedas móviles con álabes de pie macizo, sin vaciado. Se evita así la aparición de vibraciones simultáneamente en todas las ruedas móviles de la turbina.
Las dos posibilidades que anteceden pueden combinarse, es decir, mediante, al menos, algunas ruedas móviles con desacuerdo en frecuencia y conjuntos de frecuencias de resonancia de álabes diferentes entre ruedas diferentes.
Podrán aportarse diferentes modificaciones al modo de realización descrito en lo que antecede sin salir del marco de la invención.
Así, de acuerdo con otro modo de realización, ilustrado esquemáticamente en la figura 7, el álabe 140 se diferencia del de las figuras 3 y 4, únicamente, en que el pie 160 del álabe 140 tiene forma de abeto. El ajuste de la frecuencia puede conseguirse, como se ha descrito en lo que antecede, proporcionando una configuración particular a un vaciado 162, de preferencia ciego, formado en el pie 160. El vaciado 162 puede estar abierto, a través de un orificio 163, en la base del pie 160.
De acuerdo con otro modo de realización, el álabe móvil podrá comprender más de dos palas, unidas con una plataforma externa, una plataforma interna y un pie, comunes.
Aunque se haya previsto en lo que antecede el caso de una turbina de BP de turbomáquina, la invención puede aplicarse, también, a las ruedas móviles de turbinas de AP de turbomáquinas. Por otro lado, la invención puede aplicarse no sólo a las turbinas aeronáuticas, sino también, a las turbinas industriales.

Claims (10)

1. Procedimiento para la fabricación de una turbina para turbomáquina, comprendiendo la turbina, al menos, una rueda móvil provista de álabes, por cuyo procedimiento se utilizan, para la rueda móvil o cada rueda móvil, álabes (40; 140) que comprendan, cada uno, al menos, dos palas (42; 44) unidas con una plataforma externa (46), una plataforma interna (48) y un pie (60; 160), comunes, caracterizado porque, al menos, algunos de los álabes presentan un pie hueco en el que está formado un vaciado, y, deliberadamente, se proporcionan configuraciones diferentes a los vaciados de los pies (60; 160) de álabes que pertenezcan a una misma rueda y/o de los pies (60; 160) de álabes que pertenezcan a dos ruedas diferentes, con el fin de ajustar las frecuencias de resonancia propias de estos álabes a valores sensiblemente diferentes y conseguir así un desacuerdo en frecuencia entre álabes de una misma rueda y/o de dos ruedas diferentes.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se utilizan algunos álabes con un pie sin vaciado.
3. Procedimiento de ajuste de la frecuencia de resonancia de un álabe móvil de turbina para turbomáquina, caracterizado porque se fabrica el álabe (40; 140) con, al menos, dos palas unidas con una plataforma interna, una plataforma externa y un pie (60; 160), comunes, y se ajusta la frecuencia de resonancia propia del álabe formando un vaciado (62; 162) en el pie del álabe.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque se fabrica el álabe con un pie (60) en forma de bulbo y se ajusta la frecuencia de resonancia en función del grosor del material, a una y otra parte del vaciado, al nivel de una parte del pie en forma de cuello (64).
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 3 y 4 para el ajuste de la frecuencia de resonancia de un álabe (40; 140) de una turbina de turbomáquina con una turbina de alta presión (AP) y una turbina de baja presión (BP), caracterizado porque la frecuencia de resonancia propia del álabe se ajusta a un valor superior en más de un 14% al modo de excitación correspondiente a N_{2}-N_{1}, siendo N_{2} y N_{1} las velocidades de rotación de las turbinas de AP y BP.
6. Turbina por etapas para turbomáquina, comprendiendo la turbina, al menos, una rueda móvil provista de álabes (40; 140) que comprenden, cada uno, al menos dos palas (42; 44) unidas con una plataforma externa (46), una plataforma interna (48) y un pie (60; 160), comunes, caracterizada porque al menos algunos de los álabes (60; 160) de una rueda móvil y/o de ruedas móviles diferentes tienen un pie hueco en el que está formado un vaciado y presentan configuraciones diferentes al nivel de sus vaciados, de manera que estos álabes presenten frecuencias de resonancia propias sensiblemente diferentes.
7. Turbina según la reivindicación 6, caracterizada porque el vaciado (62; 162) está abierto por un lado, al menos, del pie (60; 160).
8. Turbina según la reivindicación 7, caracterizada porque el vaciado (62; 162) es ciego, estando abierto, solamente, por un lado del pie (60; 160).
9. Turbina según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada porque algunos de los álabes presentan un pie macizo, sin vaciado.
10. Turbina, según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, para turbomáquina con una turbina de alta presión (AP) y una turbina de baja presión (BP), caracterizada porque cada álabe móvil (40; 140) de la turbina tiene una frecuencia propia de resonancia superior, en más de un 14%, al modo de excitación correspondiente a N_{2}-N_{1}, siendo N_{2} y N_{1} las velocidades de rotación de las turbinas de AP y BP.
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