ES2323461T3 - Procedimiento de fabricacion de un alabe hueco para turbomaquina. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de un álabe hueco (1) para turbomáquina, que consta de un pie (2) y una pala (4), comprendiendo dicho procedimiento una etapa de realización de una preforma (14) de álabe provista de una parte (18) de pala y de una parte (16) de pie, siendo efectuada la etapa de realización de la preforma (14) de manera que comprende un conjunto (28) de al menos dos piezas (30, 32) superpuestas y soldadas entre sí por difusión, caracterizado porque la etapa de realización de dicha preforma (14) de álabe comprende las operaciones siguientes: - la fabricación de dicho conjunto (28) de al menos dos piezas (30, 32) superpuestas y soldadas entre sí por difusión, de manera que se forma únicamente dicha parte (18) de pala de la preforma (14), - la fabricación de un elemento adicional (34) destinado a formar integralmente dicha parte (16) de pie de la preforma (14), y - el montaje del elemento adicional (34) en el conjunto (28) para obtener dicha preforma (14) de álabe.
Description
Procedimiento de fabricación de un álabe hueco
para turbomáquina.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de fabricación de un álabe hueco para turbomáquina,
según el preámbulo de la reivindicación 1. Dicho procedimiento está
descrito en el documento
EP-A-1188497.
Habitualmente, un álabe hueco de compresor para
turbomáquina comprende un pie de espesor relativamente importante
que sirve para la fijación de este álabe a un disco de rotor,
prolongándose este pie radialmente hacia el exterior mediante una
parte aerodinámica delgada, denominada pala del álabe.
De la técnica anterior, se conoce un
procedimiento de fabricación de tal álabe hueco, que se basa
principalmente en la utilización de la técnica de soldadura por
difusión, asociada a la de conformación superplástica.
En efecto, en este procedimiento de la técnica
anterior, se definen en primer lugar dos o tres piezas constitutivas
del álabe, luego se fabrican separadamente antes de ser
superpuestas y montadas entre sí con la ayuda de la técnica de
soldadura por difusión, con el objetivo de obtener una preforma
deseada de álabe.
A continuación, se procede a un perfilado
aerodinámico de la preforma previamente fabricada, luego a un
inflado por presión gaseosa y a una conformación superplástica de
esta preforma, para acabar con un álabe que presenta sensiblemente
su forma final.
Como se ha mencionado anteriormente, la etapa de
realización de la preforma de álabe requiere la fabricación de dos
piezas externas y, eventualmente, de una pieza central destinada a
ser interpuesta entre estas dos piezas externas, con el objetivo de
cumplir posteriormente una función de refuerzo.
La fabricación de las piezas externas se efectúa
típicamente por mecanizado de elementos de suministro que tienen
necesariamente dimensiones iniciales relativamente importantes, en
la medida en que cada una de las dos piezas externas mecanizadas
debe presentar dos porciones radialmente opuestas de espesores
significativamente diferentes, sirviendo estas porciones,
respectivamente, para definir la parte de pie de la preforma de
álabe y la parte de pala de esta misma preforma.
De esta manera, la fabricación de las piezas
externas destinadas a constituir, al menos parcialmente, la preforma
de álabe, obtenidas por ejemplo mediante laminado, genera unos
costes de material y unos costes de mecanizado extremadamente
elevados, de modo que este procedimiento de fabricación del álabe
hueco no está totalmente optimizado.
Para hacer frente a este inconveniente
principal, se ha propuesto realizar la preforma de álabe con la
ayuda de una única etapa de soldadura por difusión que implica una
superposición de al menos cinco piezas, algunas de las cuales se
extienden radialmente por todo lo largo de la preforma, y de otras
únicamente al nivel de la parte de pie de esta última.
Sin embargo, este procedimiento, que se describe
particularmente en los documentos
US-A-4.882.823 y
EP-A-1188497, presenta el
inconveniente de que aparecen las dificultades importantes de la
puesta en práctica de la técnica de soldadura por difusión cuando
el conjunto a soldar tiene espesores muy variables (pie/pala), y un
número importante de piezas superpuestas.
Además, se presentan igualmente una serie de
problemas no despreciables al asegurar una buena estanqueidad al
nivel de la parte de pie de la superposición de las piezas.
La invención tiene como objetivo, por lo tanto,
proporcionar un procedimiento de fabricación de un álabe hueco para
turbomáquina, que soluciona, al menos parcialmente, los
inconvenientes mencionados anteriormente relativos al procedimiento
utilizado en la técnica anterior.
Con más precisión, el objetivo de la invención
es dar a conocer un procedimiento de fabricación de un álabe hueco
con una etapa de realización de la preforma de álabe que genera
costes de fabricación significativamente reducidos respecto a los
encontrados en la técnica anterior.
Para hacer esto, la invención tiene como
objetivo, por lo tanto, un procedimiento de fabricación de un álabe
hueco para turbomáquina, que consta de un pie y una pala,
comprendiendo el procedimiento una etapa de realización de una
preforma de álabe provista de una parte de pala y de una parte de
pie, siendo efectuada la etapa de realización de la preforma de
manera que comprende un conjunto de al menos dos piezas superpuestas
y soldadas entre sí por difusión. Según la invención, la etapa de
realización de la preforma de álabe comprende las operaciones
siguientes:
- -
- la fabricación del conjunto de al menos dos piezas superpuestas y soldadas entre sí por difusión, de manera que se forma únicamente la parte de pala de la preforma,
- -
- la fabricación de un elemento adicional destinado a formar integralmente la parte de pie de la preforma, y
- -
- el montaje del elemento adicional en el conjunto para obtener la preforma de álabe.
Ventajosamente, en el procedimiento de
fabricación según la invención, el conjunto de al menos dos piezas
superpuestas y soldadas entre sí por difusión no está destinado a
constituir la integridad de la preforma de álabe, sino solamente la
parte de pala de esta última.
Por consiguiente, la fabricación de este
conjunto soldado por difusión no forma parte de la realización muy
costosa de dos piezas externas, destinada cada una a tener dos
porciones de espesores significativamente diferentes y que sirven,
respectivamente, para definir la parte de pie y la parte de pala de
la preforma de álabe. Al contrario, este conjunto soldado, al no
constituir la parte de pie de la preforma, tiene dos piezas externas
que pueden ser definidas entonces adecuadamente de modo que cada
una de ellas tenga un espesor relativamente homogéneo, consiguiendo
de esta manera, naturalmente, una reducción significativa de los
costes de fabricación, particularmente en lo que se refiere a los
costes de material y los costes de mecanizado.
Además, otra ventaja de la invención se
encuentra en el hecho de no tener que integrar la parte de pie
durante la etapa de soldadura por difusión, lo que permite no tener
que enfrentarse a las dificultades de puesta en práctica de esta
técnica de soldadura encontradas cuando el conjunto a soldar tiene
espesores muy variables (pie/pala), y un número importante de
piezas superpuestas. En efecto, el conjunto soldado por difusión, al
estar previsto para constituir únicamente la parte de pala de la
preforma, puede ser realizado por consiguiente fácilmente gracias a
la superposición solamente de dos o tres piezas, teniendo cada una
de ellas un espesor sensiblemente homogéneo.
Por otra parte, el hecho de no integrar la parte
de pie durante la etapa de soldadura por difusión permite facilitar
considerablemente la realización de la estanqueidad entre las piezas
superpuestas que están destinadas a ser soldadas, siendo esta
estanqueidad necesaria para la puesta en práctica de la técnica de
soldadura por difusión. Efectivamente, el experto en la técnica
sabe que la estanqueidad al nivel de la parte de pie de la
superposición es muy difícil de realizar, de modo que el hecho de no
tener que preocuparse de la misma constituye una verdadera
ventaja.
Además, la fabricación separada del elemento
adicional ofrece la posibilidad de realizar cualquier clase de
operación de mecanizado intermedia en este elemento, antes de que
sea insertado en el conjunto soldado por difusión que se ha
obtenido paralelamente.
Por otro lado, al no estar el elemento adicional
destinado a entrar en la constitución de la parte de pala de la
preforma del álabe, sino únicamente a formar integralmente la parte
de pie de esta misma preforma, es evidente que se pueden minimizar
igualmente los costes de fabricación, particularmente debido a su
longitud radial, que es poco importante.
Por lo tanto, la invención prevé una realización
de la preforma de álabe con la ayuda de una pluralidad de partes
previamente fabricadas, antes de ser montadas, particularmente
mediante soldadura por difusión entre algunas de las mismas, y en
la que ninguna de estas piezas se extiende por toda la longitud
radial de la preforma, lo que permite entonces paliar fácilmente
los inconvenientes directamente unidos a la importante variación de
espesor de la preforma de álabe en esta dirección.
Preferentemente, la operación de montaje de cada
elemento adicional en el conjunto se lleva a cabo con la ayuda de
una técnica seleccionada entre el grupo que consiste en soldadura
por fricción lineal, y en soldadura del tipo "friction stir
welding" (soldadura por fricción mediante agitación), siendo
preferentes estas técnicas en el sentido que son relativamente
fáciles de poner en práctica, fiables, poco costosas y poco
destructivas desde el punto de vista metalúrgico.
Preferentemente, la etapa de realización de la
preforma de álabe va seguida de las etapas siguientes:
- -
- perfilado aerodinámico de la preforma, e
- -
- inflado por presión gaseosa y conformación superplástica de la preforma perfilada aerodinámicamente.
Se puede prever que el elemento adicional
destinado a formar integralmente la parte de pie de la preforma
esté realizado mediante estirado/extrusión, lo que constituye una
ventaja particularmente interesante en términos de costes de
fabricación. Efectivamente, esta técnica poco costosa para su puesta
en práctica, consiste en realizar, a partir de un tocho de material
y a través de una boquilla apropiada, un perfil del elemento
adicional que tenga la geometría deseada.
Otras ventajas y características de la invención
serán evidentes de la descripción detallada no limitativa que sigue
a continuación.
Esta descripción se realizará con relación a los
dibujos anexos, en los que;
- la figura 1 representa una vista en
perspectiva de un álabe hueco clásico para turbomáquina,
- la figura 2 representa una vista esquemática
en perspectiva de una preforma de álabe, obtenida durante la puesta
en práctica de la etapa de realización de la preforma del
procedimiento de fabricación según la presente invención, y
- las figuras 3a a 3d ilustran esquemáticamente
las etapas de un modo de realización preferente del procedimiento
de fabricación según la presente invención.
Haciendo referencia a la figura 1, se puede
observar un álabe hueco 1 clásico para turbomáquina (no
representada), realizado por ejemplo en titanio o en una de sus
aleaciones.
Este álabe hueco 1, del tipo de álabe de rotor
de compresor de gran cuerda, comprende un pie 2 que se prolonga
mediante una pala 4 en una dirección radial.
La pala 4, destinada a estar colocada en el
chorro de circulación de un flujo de aire de la turbomáquina, está
provista de dos superficies exteriores 6 y 8 denominadas,
respectivamente, superficie de extradós 6 y superficie de intradós
8, unidas por un borde de ataque 10 y un borde de fuga 12.
La figura 2 representa una preforma 14 de álabe,
tal como la destinada a ser obtenida durante una etapa de
realización de la preforma de álabe del procedimiento de fabricación
según la presente invención.
Esta preforma 14 comprende una parte 16 de pie
de espesor importante y variable, que se prolonga en una dirección
radial mediante una parte 18 de pala. Como se puede ver en esta
figura 2, la parte 16 de pie está provista de una porción radial
interna 20 que tiene un alto espesor medio E, prolongándose esta
porción 20 de manera radialmente exterior mediante una porción
radial externa 22 que tienen un espesor medio e menor que el espesor
medio E. Se señala, a título indicativo, que la porción radial
interna 20 está posteriormente destinada a asegurar la fijación del
álabe a un disco de rotor de la turbomáquina, particularmente
gracias a dos partes de elevación 23a y 23b que están situadas a
uno y otro lado de una parte central 23c dispuesta en la
prolongación de la porción radial externa 22 de la parte 16 de
pie.
Además, la parte 18 de pala de la preforma 14
tiene en un extremo radialmente interno 24 un espesor e'
sensiblemente igual al espesor medio e, y en un extremo radialmente
externo 26 un espesor e'' menor que el espesor e'. Sin embargo, la
parte 18 de pala de la preforma 14 tiene un espesor sensiblemente
homogéneo.
Por otro lado, se indica que no existe
separación clara entre el extremo radialmente interno 24 de la parte
18 de pala y la porción radial externa 22 de la parte 16 de pie de
la preforma 14, en la medida en que estos elementos son
sensiblemente continuos. No obstante, un plano P ficticio de unión,
representado esquemáticamente en la figura 2, muestra la separación
teórica comúnmente reconocida entre la parte 16 de pie y la parte 18
de pala de la preforma 14.
En un modo de realización preferente del
procedimiento de fabricación según la presente invención, una etapa
de realización de la preforma 14 de álabe se efectúa de la manera
descrita anteriormente, haciendo referencia a las figuras 3a a
3c.
En primer lugar, se procede a la fabricación de
un conjunto 28 que tiene al menos dos piezas 30 y 32 superpuestas y
soldadas entre sí por difusión, constituyendo las dos únicas piezas
30 y 32 visibles en la figura 3a, respectivamente, las piezas
externas superior e inferior del conjunto 28. Por esta razón, se
indica que una tercera pieza (no representada) puede estar
interpuesta igualmente entre las piezas externas 30 y 32, para
constituir posteriormente un refuerzo. En efecto, al estar el
conjunto 28 destinado a formar única e integralmente la parte 18 de
pala de la preforma 14, puede ser realizado entonces de manera
clásica con la ayuda de dos piezas externas idénticas a las caras
internas ranuradas, o también con la ayuda de tres piezas, de las
cuales las dos piezas externas idénticas están provistas de
superficies internas sensiblemente lisas en contacto con una tercera
pieza intermedia.
En este modo de realización preferente de la
presente invención, el conjunto 28, que forma únicamente la parte
18 de pala de la preforma 14, tiene un espesor sensiblemente
homogéneo, con un mismo grado que las dos piezas externas idénticas
30 y 32 que constituyen este conjunto 28. De esta manera, la técnica
de obtención de las piezas 30 y 32 mediante laminado está, por lo
tanto, particularmente adaptada, y completamente optimizada en
términos de costes de material y de costes de mecanizado, en la
medida en que los elementos de suministro necesarios para la
fabricación de estas piezas 30 y 32 pueden tener fácilmente
dimensiones próximas a las dimensiones finales que deben presentar
estas mismas piezas 30 y 32.
En el caso de que el conjunto 28 esté
constituido únicamente por dos piezas externas idénticas 30 y 32,
una vez que las mismas se hayan fabricado como se ha descrito
anteriormente, son soldadas entre sí por difusión, de manera
análoga a la encontrada en la técnica anterior, para efectuar el
montaje de las diversas piezas constitutivas de la preforma. A este
respecto y de modo conocido, se señala que la operación de soldadura
por difusión está precedida por una operación de disposición de
barreras de antidifusión según un patrón determinado, siendo
dispuestas las barreras al nivel de las superficies internas en
contacto 30a y 32a de las piezas externas 30 y 32.
Paralelamente a la fabricación del conjunto
hueco 28 que forma única e integralmente la parte 18 de pala de la
preforma 14, se realiza igualmente un elemento adicional 34 único,
destinado a formar única e integralmente la parte 16 de pie de esta
misma preforma 14. Así, es preciso naturalmente que el conjunto 28 y
el elemento adicional 34 tengan, cada uno de ellos una geometría
sensiblemente idéntica a la geometría de la parte 18 de pala y de
la parte 16 de pie, respectivamente, de la preforma 14 representada
en la figura 2.
Como se muestra en la figura 3b, el elemento
adicional 34 comprende, por lo tanto, una parte 36 de gran espesor
y similar a la porción radial interna 20 representada en la figura
2, así como una parte 38 de menor espesor similar a la porción
radial externa 22 representada en esta misma figura 2. Por
consiguiente, el elemento 34 se puede fabricar fácilmente mediante
estirado/extrusión, consistiendo esta técnica comprobada a coste
reducido en realizar, a partir de un tocho de material y a través de
una boquilla apropiada, un perfil del elemento adicional 34 que
tenga la geometría deseada. De esta manera, con dicha técnica, es
posible fabricar los elementos adicionales 34 unos a continuación
de los otros, mediante simple corte.
Cuando el conjunto 28 y el elemento adicional 34
han sido realizados simultáneamente, preferentemente en una
aleación de titanio, se procede a continuación a su montaje de
manera que se obtenga sensiblemente la geometría de la preforma 14,
como ilustra la figura 3c.
Este montaje se puede efectuar entonces mediante
soldadura, al poner en contacto una superficie radial interna 40
del conjunto 28 con una superficie radial externa 42 del elemento
adicional 34. Dichas superficies 40 y 42 son sensiblemente planas y
definen conjuntamente una zona plana de contacto 44, dispuesta
sensiblemente en un emplazamiento idéntico al del plano P ficticio
de unión, representado en la figura 2, respecto a las partes de pie
16 y de pala 18 de la preforma 14.
A título de ejemplos indicativos, la operación
de montaje del elemento adicional 34 en el conjunto 28 se realiza,
preferentemente, mediante soldadura por fricción lineal, o mediante
soldadura del tipo "friction stir welding". Dichas técnicas de
soldadura conocidas permiten ventajosamente que la zona soldada
conserve las características metalúrgicas compatibles con la
técnica de soldadura por difusión y la de inflado superplástico, y
aseguran que las propiedades mecánicas sean conformes a las
especificaciones de la preforma acabada.
Por supuesto, esta operación de soldadura puede
ir seguida por una operación de mecanizado de reacondicionamiento
geométrico de la zona soldada.
A continuación de la etapa de realización de la
preforma 14 de álabe que se acaba de describir, se procede a las
etapas clásicas que pretenden, en primer lugar, perfilar
aerodinámicamente la preforma 14, de manera que la misma tenga una
forma sensiblemente retorcida, como ilustra la figura 3d. A
continuación, siempre de manera conocida, una etapa de inflado por
presión gaseosa y de conformación superplástica permiten obtener el
álabe 1, tal como el representado en la figura 1, siendo seguida
habitualmente esta etapa por un mecanizado final destinado a
proporcionar rigurosamente al álabe 1 el perfil aerodinámico
deseado.
Claims (4)
1. Procedimiento de fabricación de un álabe
hueco (1) para turbomáquina, que consta de un pie (2) y una pala
(4), comprendiendo dicho procedimiento una etapa de realización de
una preforma (14) de álabe provista de una parte (18) de pala y de
una parte (16) de pie, siendo efectuada la etapa de realización de
la preforma (14) de manera que comprende un conjunto (28) de al
menos dos piezas (30, 32) superpuestas y soldadas entre sí por
difusión, caracterizado porque la etapa de realización de
dicha preforma (14) de álabe comprende las operaciones
siguientes:
- -
- la fabricación de dicho conjunto (28) de al menos dos piezas (30, 32) superpuestas y soldadas entre sí por difusión, de manera que se forma únicamente dicha parte (18) de pala de la preforma (14),
- -
- la fabricación de un elemento adicional (34) destinado a formar integralmente dicha parte (16) de pie de la preforma (14), y
- -
- el montaje del elemento adicional (34) en el conjunto (28) para obtener dicha preforma (14) de álabe.
2. Procedimiento de fabricación según la
reivindicación 1, caracterizado porque la operación de
montaje del elemento adicional (34) en dicho conjunto (28) se lleva
a cabo con la ayuda de una técnica seleccionada entre el grupo que
consiste en soldadura por fricción lineal, y en soldadura del tipo
"friction stir welding" (soldadura por fricción mediante
agitación).
3. Procedimiento de fabricación según la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque
la etapa de realización de la preforma (14) de álabe va seguida de
las etapas siguientes:
- -
- perfilado aerodinámico de dicha preforma (14), e
- -
- inflado por presión gaseosa y conformación superplástica de dicha preforma (14) perfilada aerodinámicamente.
4. Procedimiento de fabricación según una
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque el elemento adicional (34) destinado a formar integralmente
dicha parte (16) de pie de la preforma (14) se realiza mediante
estirado.
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