ES2525743T3

ES2525743T3 - Rotor de álabe integral y método para fabricar un rotor de álabe integral

Info

Publication number: ES2525743T3
Application number: ES10713553.5T
Authority: ES
Inventors: Alexander Böck; Jens Wittmer
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2014-12-29
Anticipated expiration: 2030-02-27
Also published as: EP2404038B1; DE102009011879A1; WO2010099784A1; EP2404038A1

Abstract

Rotor de álabe integral (10) para una máquina de corriente, especialmente una turbina de gas, con un cuerpo base de rotor (12), en cuya zona del borde están previstas aberturas de descarga (28) que discurren en dirección axial, y en cada abertura de descarga (28) está previsto un elemento obturador (30), que obtura la abertura de descarga (28) en dirección axial, se caracteriza por que los elementos obturadores (30) presentan respectivamente una placa obturadora (40), que está adaptada al corte transversal de la abertura de descarga (28).

Description

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DESCRIPCION

Rotor de álabe integral y método para fabricar un rotor de álabe integral

5 (0001) La invención hace referencia a un rotor de álabe integral para una máquina de corriente, especialmente para una turbina de gas, así como un método para la fabricación de un rotor de álabe integral.

(0002) Rotores de turbinas de gas con álabe integral se designan dependiendo de si en el corte transversal está presente un rotor o un soporte de rotor (en adelante llamado cuerpo base de rotor) en forma de disco o en forma anular, como Blisk o Bling (en inglés). Blisk es la abreviatura de Bladed Disk (disco de álabes) y Bling la abreviatura de Bladed Ring (anillo de álabe).

(0003) Según el estado de la técnica es conocido el fabricar rotores de turbinas de gas con álabes integrales mediante fresado del hueco, lo cual es naturalmente muy costoso, por lo cual este método sólo ha tenido uso en

15 pequeños rotores de turbinas de gas. Otro método usado en grandes rotores es el soldeo por fricción de un álabe fabricado separadamente, especialmente, monocristalino, a un cuerpo base de rotor, especialmente, policristalino. Para evitar tensiones térmicas en el cuerpo base de rotor, se disponen en la zona del borde radial aberturas o ranuras de descarga que discurren en dirección axial. Para que no haya desventajas técnicas de corriente a causa de las aberturas de descarga, se disponen anillos obturadores o discos obturadores delante y detrás del rotor, a través de lo cual, las aberturas o ranuras de descarga se obturan. Semejantes anillos o discos obturadores son costosos de fabricar y, por ello, son caros, y aumentan el peso del rotor.

(0004) El documento US 3 262 675 a describe un rotor de turbinas integral, que prevé aberturas en el perímetro del disco. En las aberturas se encuentra una pared, que se le hace una perforación y a continuación se sella con un

25 material de remache y un material de relleno. Del documento US 4 872 810 A se conoce un escalón construido, en el que en aberturas dependientes de la construcción se dispone parcialmente al menos un elemento de obturación respectivamente entre los elementos de álabe individuales.

(0005) Es objetivo de la invención lograr un rotor de álabe integral, en el que se consiga un obturador de las aberturas de descarga económicamente y con poco peso, así como un método de fabricación de semejante rotor de álabe integral.

(0006) El objetivo se cumple mediante un rotor de álabe integral conforme a la invención, en particular, para una turbina de gas. El rotor comprende un cuerpo base de rotor en cuya zona del borde radial se disponen aberturas de

35 descarga que discurren en dirección axial. En cada abertura de descarga se dispone un elemento obturador, que obtura la abertura de descarga en dirección axial. Los elementos obturadores presentan respectivamente una placa obturadora, que se adapta a la sección transversal de la abertura de descarga. La placa obturadora posibilita una obturación óptima de la abertura de descarga. De este modo, no se necesitan anillos o discos obturadores separados, con lo cual se ahorra en peso. Habida cuenta que un elemento obturador sólo está asignado a una abertura de descarga, se facilita el modo de montaje de los elementos obturadores, con lo cual se ahorran gastos.

(0007) Preferiblemente, los elementos obturadores presentan un tope, con el cual tienen contacto con un lado frontal del rotor. De este modo, se posibilita un posicionamiento sencillo de los elementos obturadores así como una fijación sencilla en el rotor.

45 (0008) Los elementos obturadores pueden presentar al menos una prolongación flexible, que está adyacente al lado frontal del rotor. Así, se fijan los elementos obturadores al rotor doblando la prolongación flexible.

(0009) Según una forma de ejecución preferible, los elementos obturadores están colocados como amortiguadores entre los cuellos de álabe contiguos. Esto posibilita una amortiguación mejorada de las vibraciones del rotor.

(0010) La placa obturadora se ejecuta de tal forma que el espesor de una placa obturadora es al menos en 5 veces menor que la longitud de la abertura de descarga. Esto posibilita otro ahorro de peso en la zona del borde radial del cuerpo base del rotor.

55 (0011) Preferiblemente, la placa obturadora está situada en la abertura de descarga. De este modo, la placa obturadora no necesita un espacio de construcción adicional.

(0012) La placa obturadora está dispuesta, por ejemplo, en dirección axial, esencialmente, en el medio de la abertura de descarga. Así, se queda la obturación de la abertura de descarga en dirección axial, también al haber pequeños desplazamientos de la placa de obturación.

(0013) Según otra forma de ejecución los elementos de obturación presentan respectivamente dos placas obturadoras. Esto posibilita una obturación mejorada de la abertura de descarga.

65 (0014) Preferiblemente, ambas placas obturadoras de los elementos de obturación están dispuestas de modo que en ambos extremos de la abertura de descarga crean una superficie con los lados frontales del rotor en la zona de

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las aberturas de descarga, es decir, obstruye enrasado. De este modo, sólo se producen mínimas pérdidas de ventilación durante la rotación del rotor en la zona de las aberturas de descarga.

(0015) Según otra forma de ejecución, los elementos de obturación están previstos con distintos pesos. Esto 5 posibilita un equilibrado del rotor mediante los elementos de obturación.

(0016) Preferiblemente, los elementos de obturación presentan un alma radial exterior, presenta que al menos una placa obturadora que sobresale del alma y topes en ambos extremos del alma, y los topes se agarran preferiblemente a los lados frontales del rotor. De este modo, el elemento de obturación se fija mediante ambos topes a los extremos en los lados frontales del rotor, mediante lo cual se evita que se resbale la placa obturadora. Estos topes son por ejemplo, una prolongación permanente así como una prolongación flexible.

(0017) La invención hace referencia además a un método para fabricar un rotor de álabe integral con los siguientes pasos del método. En un primer paso se lleva a cabo la fijación de álabes en un cuerpo base del rotor, estando

15 previstos en la zona del borde radial del cuerpo base del rotor aberturas de descarga, que están situadas en la zona de los cuellos de álabe contiguos a las ranuras. En un segundo paso se lleva a cabo el cierre de las aberturas de descarga mediante los elementos de obturación. Esto posibilita una fabricación sencilla del rotor, y se puede prescindir de anillos o discos de obturación caros de fabricar y pesados, mediante lo cual se ahorra en peso y en costes.

(0018) En otra variante del método se lleva a cabo el equilibrado del rotor mediante elementos de obturación de distinto peso. Esto posibilita, ejecutar la obturación de las aberturas de descarga y el equilibrado del rotor en un paso del método.

25 (0019) Otras características y ventajas de la invención resultan de la descripción a continuación y de los dibujos siguientes, a los cuales se hace referencia. En los dibujos se muestran:

-Figura 1: una vista en perspectiva de un rotor de álabe integral según una primera forma de ejecución de la invención;

-Figura 2: una vista en detalle de un elemento obturador según la forma de ejecución mostrada en la Figura 1;

-Figura 3: una vista superior sobre la superficie frontal del rotor mostrado en la Figura 1;

35 -Figura 4: una vista de corte a lo largo de la superficie de corte IV-IV mostrada en la Figura 3;

-Figura 5: una vista en perspectiva de un rotor de álabe integral según una segunda forma de ejecución de la invención;

-Figura 6: una vista en detalle de un elemento obturador según la forma de ejecución mostrada en la Figura 5;

-Figura 7: una vista superior sobre la superficie frontal del rotor mostrado en la Figura 5; y

-Figura 8: una vista de corte a lo largo de la superficie de corte VIII-VIII mostrada en la Figura 7.

45 (0020) Una primera forma de ejecución de la invención se describe en base a las Figuras 1 a 4. Un rotor de álabe integral (10) presenta un cuerpo base de rotor (12), que en la forma de ejecución mostrada es un disco de rotor. El cuerpo base de rotor (12) puede ser sin embargo también en forma de anillo.

(0021) El rotor de álabe integral (10) diseñado para una turbina de gas, y debe estar dispuesto en la sección de turbina o en la sección del compresor. La invención se puede usar naturalmente también en rotores de álabes integrales de otras máquinas de corriente.

(0022) En el radio exterior del cuerpo base de rotor (12) están previstos varios álabes (14), que en la forma de 55 ejecución mostrada están unidos mediante piezas intermedias (16) separadas con el cuerpo base de rotor (12).

(0023) Un álabe (14) está construido del siguiente modo: hay previsto un cuello de álabe (18) estando en el interior de forma radial, desde el cuello de álabe (18) se extiende la hoja de álabe (20) radialmente hacia fuera. En el extremo exterior de la hoja de álabe (20) está previsto un anillo de refuerzo (22) exterior.

(0024) Los álabes (14) están fabricados, por ejemplo, de sustancias cristalinas a base de níquel, que no permiten el método de la soldadura por fusión. Semejante álabe (14) se une primeramente con una pieza intermedia (16) mediante soldeo por fricción, en particular, soldeo por fricción linear. La pieza intermedia (16) está fabricada de otro material que el álabe (14), por ejemplo, de un material policristalino. El álabe (14) puede ser fijado entonces al

65 cuerpo base de rotor mediante la pieza intermedia (16) con ayuda de distintos métodos. Naturalmente también es posible, que los álabes (14) estén fijados al cuerpo base de rotor directamente con un método adecuado.

(0025) Para mantener el peso del rotor (10) tan mínimo como sea posible, está prevista una construcción de poco

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peso para el cuello del álabe (18). En los cuellos de álabe (18) están previstas escotaduras (24) en los lados que están en la dirección del perímetro (véase Figura 1 y Figura 4). Entre los cuellos de álabe (18) contiguos se forman espacios huecos mediante las escotaduras (24) en los lados opuestos de los cuellos de álabe (18).

5 (0026) Los cuellos de álabe (18) presentan respectivamente una prolongación frontal y posterior en dirección axial. Las prolongaciones forman juntas un anillo de refuerzo (26) interior que se extiende en dirección del perímetro.

(0027) En la zona del borde exterior radial del cuerpo base de rotor (12) están previstas abertura de descarga (28) que se extienden en dirección axial. Las aberturas de descarga (28) sirven, por ejemplo, para la reducción de tensiones en el cuerpo base de rotor (12) a causa de sobrecargas térmicas en el cuerpo base de rotor (12) causadas por gases calientes, que se conducen a través de la máquina de corriente.

(0028) Radialmente fuera de las aberturas de descarga (28) están previstas estrechas ranuras (29) entre los cuellos de álabe (18) contiguos, que se transforman en las aberturas (28).

15 (0029) En las aberturas de descarga (28) está previsto respectivamente un elemento obturador (30), el cual obtura la abertura de descarga (28) en dirección axial.

(0030) En las Figuras 1 y 3 están representados algunas aberturas de descarga (28) del rotor (10) con elementos de obturación (30) insertados y algunas aberturas de descarga (28) con elementos de obturación (30) extraídos.

(0031) La Figura 2 muestra una vista en detalle de los elementos de obturación (30) según una primera forma de ejecución de la invención. El elemento de obturación (30) presenta un alma (32) radial exterior. En el extremo izquierdo del alma (32) hay previsto un engrosamiento, que forma un primer tope (34), que está en contacto con un

25 primer lado frontal (36) del rotor (10) (véase Figura 1 o Figura 4).

(0032) En el extremo derecho del alma (32) está conformada una prolongación flexible (38). La prolongación flexible

(38): se dobla hacia arriba aprox. 90º después de la inserción del elemento obturador (30) en la abertura de descarga

(28): del rotor (10), de forma que queda en contacto con su superficie superior en el segundo lado frontal (36) del rotor (10). Así la prolongación flexible (38), en estado flexionado, forma un segundo tope del elemento obturador (30). También es naturalmente posible, colocar una o varias prolongaciones flexibles (38) de tal modo en el elemento obturador (30), que pueden ser doblados en distintas direcciones, por ejemplo, lateralmente.

(0033) Una placa obturadora (40) sobresale del alma (32) hacia abajo. La forma de la placa obturadora (40) está

35 adaptada al corte transversal de la abertura de descarga (28), para lograr una obturación óptima. La placa obturadora (40) está situada fundamentalmente en la mitad del alma (32) radial exterior y así, en el estado montado, está situado dentro de la abertura de descarga (28), dicho con más exactitud, en dirección axial fundamentalmente en la mitad de la abertura de descarga (28).

(0034) El espesor de la placa obturadora (40) es al menos 5 veces menor que la longitud de la abertura de descarga

(28) en dirección axial. De este modo, en la zona de la abertura de descarga (28) se ahorra material, con lo cual se reduce el peso del rotor (10). Para un ahorro de peso máximo se elije la abertura de descarga (28) tan grande como sea posible, sin que la estabilidad del rotor (10) quede perjudicada.

45 (0035) En el estado montado, el elemento obturador (30) está dispuesto de forma que tiene contacto con el primer tope (34) en el primer lado frontal (36) y con un segundo tope, que se forma mediante la prolongación flexible (38) doblada, en el segundo lado frontal (36) del rotor (10), mediante lo cual se evita un movimiento del elemento obturador (30) en dirección axial (véase Figura 4).

(0036) El alma radial exterior (32) del elemento obturador (30) es un amortiguador entre cuellos de álabe (18) contiguos. El amortiguador sirve especialmente para la reducción de oscilaciones de los álabes (14). Una opción de conseguir el efecto amortiguador, consiste en que el lado superior del alma (32) esté en contacto con la abertura de descarga (28) y mediante la fricción capta energía de movimiento.

55 (0037) Los distintos elementos obturadores (30), que están respectivamente asignados a una abertura de descarga (28), pueden presentar distintos pesos, mediante lo cual es posible un equilibrado del rotor (10) gracias a los elementos obturadores (30). Los elementos obturadores (30) sirven adicionalmente como pesos equilibradores.

(0038) Las Figuras 5 a 8 muestran una segunda forma de ejecución de la invención. Los modos de montaje del cuerpo base de rotor (12) y álabes (14) son idénticos a la primera forma de ejecución mostrada en la Figura 1 a la 4. La segunda forma de ejecución se diferencia de la primera forma de ejecución por un elemento obturador (30) modificado.

(0039) La Figura 6 muestra una vista en detalle del elemento obturador (30) de la segunda forma de ejecución del

65 rotor (10). Se colocan dos placas obturadoras (40) en un alma (32) radial exterior, que se adaptan respectivamente al corte transversal de la abertura de descarga (28). En los extremos del alma (32) radial exterior, análogamente a la primera forma de ejecución está previsto un primer tope (34) y una prolongación flexible (38).

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(0040) La disposición de los elementos obturadores (30) en el estado montado en el rotor (10) se observa especialmente bien en la Figura 8. El elemento obturador (30) tiene contacto con el primer tope (34) en el lado frontal izquierdo (36) del rotor (10) y con la prolongación flexible (38) doblada, que crea un segundo tope, en el lado frontal (36) derecho del rotor (10).

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(0041) Ambas placas obturadoras (40) de los elementos obturadores (30) están situadas de tal modo que en ambos extremos de la abertura de descarga (28) crean una superficie con los lados frontales (36) del rotor (10) o bien, queda enrasado. De este modo resultan durante la rotación del rotor (10) sólo pequeñas pérdidas de corriente mediante los elementos obturadores (30).

10 (0042) Como se observa bien en la Figura 8, las prolongaciones flexible (38) están dobladas a aprox. 180º y están en contacto con su superficie del extremo en el lado frontal (36) del rotor (10). También es posible, naturalmente, doblar sólo a aprox. 90º las prolongaciones flexibles (38) análogamente a la forma de ejecución primera (véase Figura 4), de forma que las prolongaciones flexibles (38) con su superficie superior están en contacto con el lado

15 frontal (36) del rotor (10). De igual modo, las prolongaciones flexibles (38) de la primera forma de ejecución pueden estar dobladas análogas a la segunda forma de ejecución a aprox. 180º. También es posible, doblar varias prolongaciones flexibles (38) en distintas direcciones.

(0043) A continuación se describe un método para la fabricación de un rotor (10) de álabe integral, arriba descrito.

20 (0044) En un primer paso del método, se fijan los álabes (14) en un cuerpo base del rotor (12). Esto se puede hacer con ayuda de distintos métodos, especialmente usando una pieza intermedia (16) para facilitar el proceso de soldado. En la zona del borde del cuerpo base del rotor (12) hay previstas aberturas de descarga (28), que están situadas en la zona de cuellos de álabe (18) contiguos a las ranuras. Las aberturas de descarga (28) pueden

25 aparecer, por ejemplo al fijar los álabes (14) individuales en el cuerpo base del rotor (12), condicionados por el proceso, o pueden aparecer después de la fijación de los álabes (14) al cuerpo base del rotor (12), por ejemplo, mediante perforación o fresado.

(0045) En un segundo paso del método se cierran las aberturas de descarga (28) mediante los elementos

30 obturadores (30) y se obturan. Para ello se insertan los elementos obturadores (30) con la prolongación flexible (38) en las aberturas de descarga (28) hasta que el primer tope (34) tiene contacto con el lado frontal (36) del rotor (10). Entonces, la prolongación flexible (38), que sobresale por el otro lado del rotor (10) de la abertura de descarga, se dobla hacia arriba, hasta que está en contacto con el lado frontal (36) del rotor (10) y así forma un segundo tope, mediante el cual se sujeta el elemento obturador (30) fijamente en la abertura de descarga (28). El peso de los

35 elementos obturadores (30) se ajusta de modo que al mismo tiempo de la obturación de las aberturas de descarga

(28): se produce un equilibrado del rotor (10).

(0046) También es posible, que en lugar del primer tope (34) en forma de un espesamiento del elemento obturador

(30): se prevea una prolongación flexible (38) a ambos lados del elemento obturador, y en el montaje del elemento

40 obturador (30) las prolongaciones flexible (38) se doblan a ambos lados del elemento obturador y con ello, respectivamente están en contacto con el lado frontal (36) del rotor (10) y forman un tope.

(0047) Semejante elemento obturador (30) está configurado, por ejemplo, simétricamente, mediante lo cual no tiene que tenerse en cuenta la orientación del elemento obturador (30) en el montaje.

45 (0048) Pueden usarse también más de dos placas obturadoras (40), de modo que puede resultar un tipo de obturación de laberinto.

Claims

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REIVINDICACIONES

1ª.-Rotor de álabe integral (10) para una máquina de corriente, especialmente una turbina de gas, con un cuerpo base de rotor (12), en cuya zona del borde están previstas aberturas de descarga (28) que discurren en dirección 5 axial, y en cada abertura de descarga (28) está previsto un elemento obturador (30), que obtura la abertura de descarga (28) en dirección axial, se caracteriza por que los elementos obturadores (30) presentan respectivamente una placa obturadora (40), que está adaptada al corte transversal de la abertura de descarga (28).

2ª.-Rotor según la reivindicación 1ª, se caracteriza por que el elemento obturador (30) presenta un tope (34), con el 10 que tiene contacto en un lado frontal (36) del rotor (10).

3ª.-Rotor según la reivindicación 1ª ó 2ª, se caracteriza por que el elemento obturador (30) presenta al menos una prolongación flexible (38), que tiene contacto con un lado frontal (36) del rotor (10).

15 4ª.-Rotor según una de las reivindicaciones anteriores, se caracteriza por que el elemento obturador (30) como amortiguador está situado entre los cuellos de álabe (18) contiguos.

5ª.-Rotor según la reivindicación 1ª, se caracteriza por que el espesor de la placa obturadora (40) es al menos 5 veces menor que la longitud de la abertura de descarga (28).

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6ª.-Rotor según la reivindicación 1ª ó 5ª, se caracteriza por que la placa obturadora (40) está situada en la abertura de descarga (28).

7ª.-Rotor según una de las reivindicaciones 1ª ó 5ª y 6ª, se caracteriza por que la placa obturadora (40) está 25 prevista fundamentalmente en el centro de la abertura de descarga (28) en dirección axial.

8ª.-Rotor según una de las reivindicaciones 1ª ó 5ª y 6ª, se caracteriza por que los elementos obturadores (30) presentan respectivamente al menos dos placas obturadoras (40).

30 9ª.-Rotor según la reivindicación 8ª, se caracteriza por que las placas obturadoras (40) de los elementos obturadores (30) están dispuestas de modo que, en ambos extremos de la abertura de descarga (28), forman una superficie con los lados frontales (36) del rotor (10) en la zona de las aberturas de descarga (28).

10ª.-Rotor según una de las anteriores reivindicaciones, se caracteriza por que los elementos obturadores (30) 35 están previstos con distintas masas.

11ª.-Rotor según una de las anteriores reivindicaciones, se caracteriza por que los elementos obturadores (30) presentan un alma (32) radial exterior, que presenta al menos una placa obturadora (40) que sobresale del alma (32) y presenta topes a ambos extremos del alma (32), y los topes se encajan, preferiblemente, en los lados frontales 40 (36) del rotor (10).

12ª.-Método para la fabricación de un rotor (10) de álabe integral, que se caracteriza por los siguientes pasos del método:

45 -Fijación de álabes (14) a un cuerpo base de rotor (12), estando previstas aberturas de descarga (28) en la zona del borde radial del cuerpo base de rotor (12), que se encuentran en la zona de los cuellos de álabe contiguos a las ranuras;

-Cierre de las aberturas de descarga (28) mediante elementos obturadores (30), presentando los elementos 50 obturadores (30) respectivamente una placa obturadora (40), que está adaptada al corte transversal de la abertura de descarga (28).

13ª.-Método según la reivindicación 12ª, se caracteriza por que el equilibrado del rotor (10) se lleva a cabo mediante el empleo de elementos obturadores (30) de distintos pesos.

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