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