ES2614859T3 - Turbomáquina de árbol vertical - Google Patents

Turbomáquina de árbol vertical Download PDF

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ES2614859T3 ES11712624.3T ES11712624T ES2614859T3 ES 2614859 T3 ES2614859 T3 ES 2614859T3 ES 11712624 T ES11712624 T ES 11712624T ES 2614859 T3 ES2614859 T3 ES 2614859T3
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Abstract

Turbomáquina que comprende un compresor (16), un primer árbol (12), un segundo árbol (22), una primera turbina (18, 20) y una segunda turbina (18, 20), llevando el primer árbol (12) al menos una rueda de turbina, que pertenece a uno de los elementos entre la primera turbina (18, 20) y la segunda turbina (18, 20), llevando el segundo árbol (22) al menos una rueda de turbina que pertenece al otro elemento entre la primera turbina (18, 20) y la segunda turbina (18, 20) en la cual los primero y segundo árboles (12, 22) están orientados sensiblemente verticalmente en las situaciones de utilización normales de la turbomáquina (10), caracterizada por que el primer árbol (12) es sostenido por un primer único cojinete (14) mientras que el segundo árbol (22) es sostenido por un segundo único cojinete (24).

Description

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DESCRIPCION
Turbomaquina de arbol vertical
La invencion concierne al ambito de las turbomaquinas.
Clasicamente, una turbomaquina comprende al menos un arbol unido al menos a una rueda de turbina (pudiendo ser esta turbina libre o asociada), estando dispuesto este arbol horizontalmente, es decir con su eje orientado segun una direction sensiblemente perpendicular a la direction de la gravedad. Para asegurar un sostenimiento conveniente del arbol y soportar su peso, varios cojinetes, en general dos, estan repartidos a lo largo de este arbol. Asl, en una turbomaquina que comprenda sucesivamente, de aguas arriba a aguas abajo, un compresor, una camara de combustion y una turbina, un cojinete esta dispuesto aguas arriba del compresor y un cojinete esta dispuesto aguas abajo de la camara de combustion. Esto presenta varios inconvenientes.
Un primer inconveniente es que los arboles son generalmente largos y pesados, y a pesar del sostenimiento puntual realizado por cada cojinete, persisten voladizos a lo largo de los cuales el arbol puede deformarse a causa de su peso y del peso de la o las ruedas de turbina que el mismo soporta. Esta deformation estatica modifica la rectitud del arbol, y crea desequilibrio dinamico cuando la turbomaquina funciona y el arbol gira sobre si mismo alrededor de su eje.
Un segundo inconveniente esta relacionado con la presencia de varios cojinetes que hacen mas pesada la turbomaquina y perjudican su rendimiento.
Finalmente, un tercer inconveniente es que el cojinete dispuesto aguas abajo de la camara de combustion esta en una zona particularmente caliente de la turbomaquina y es sometido a elevadas tensiones termicas. Para asegurar el buen funcionamiento de este ultimo cojinete, y evitar los riesgos de coquizacion, hay que prever un sistema de refrigeration, clasicamente por circuito de aceite de refrigeration. Este sistema de refrigeration es complejo de instalar y de entretener, lo que aumenta los costes de fabrication y de entretenimiento de la turbomaquina, y tambien aumenta el peso de la misma.
Los documentos FR 1 603 209, EP 0 494 167 y GB 989 477 divulgan turbomaquinas de arbol vertical.
La invencion tiene por objetivo paliar sustancialmente al menos uno de los inconvenientes anteriormente citados.
Este objetivo se consigue gracias a una turbomaquina tal como la que se define en la revindication 1, que comprende al menos un arbol que lleva al menos una rueda de turbina, en la cual el arbol esta orientado sensiblemente verticalmente en las situaciones de utilizacion normales de la turbomaquina, siendo mantenido el arbol por un unico cojinete.
Se observara que la citada rueda puede pertenecer tanto a una turbina asociada como a una turbina libre de la turbomaquina. Se recuerda que una turbina asociada es una turbina unida mecanicamente a un compresor de la turbomaquina mientras que una turbina libre es una turbina independiente mecanicamente del compresor.
En la presente exposition, la direccion vertical corresponde a la direccion de la gravedad. Asl, « orientado verticalmente » significa « orientado segun la direccion de la gravedad ». El adverbio « sensiblemente » es empleado para indicar que la direccion del arbol puede formar un angulo pequeno con la direccion vertical.
Por « situaciones de utilizacion normales de la turbomaquina » se entiende designar las situaciones en las que la turbomaquina esta montada en un vehlculo, especialmente en una aeronave (la turbomaquina es entonces, por ejemplo, un turbomotor o un turborreactor), desplazandose este vehlculo horizontalmente (sobre tierra, sobre el agua o en el aire) o bien cuando la turbomaquina esta montada en un sitio de production industrial (la turbomaquina es entonces, por ejemplo, una turbina de gas terrestre). La turbomaquina puede estar parada o en funcionamiento. Asl, en particular, las situaciones de transporte antes del montaje, o en reparation de la turbomaquina no son “situaciones de utilization normales”.
Se comprende que situando el arbol segun la direccion vertical, este ultimo no presenta voladizos susceptibles de inducir deformaciones estaticas que pueden modificar su rectitud, debidas a su peso y al de la rueda de turbina. Contrariamente a las turbomaquinas de la tecnica anterior, el arbol de acuerdo con la invencion no esta por tanto sometido a esfuerzos estaticos radiales (es decir, esfuerzos orientados segun una direccion perpendicular a la direccion axial del arbol y que corta al mismo). Naturalmente, no estando igualmente el arbol sometido o estando poco sometido a esfuerzos axiales (es decir, esfuerzos orientados segun la direccion axial del arbol), no existe riesgo de que el arbol pandee y vea modificada su rectitud. En efecto, el peso del arbol y de la rueda de turbina representa un esfuerzo despreciable para el arbol segun la direccion axial, Asl, la rectitud del arbol queda asegurada.
Por otra parte, estando el arbol dispuesto verticalmente, no es necesario sostener el arbol, como en la tecnica anterior, con la ayuda de varios cojinetes repartidos sobre su longitud para soportar su peso. En efecto, manteniendole en un solo emplazamiento por un unico cojinete el arbol queda mantenido correctamente.
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Naturalmente, este unico cojinete debe ser apto para soportar segun la direccion axial el peso del conjunto constituido por el arbol y la o las ruedas de la turbina.
Ademas, en situaciones de utilizacion normales, cuando la turbomaquina funciona, el arbol es estabilizado alrededor de su posicion axial de origen (es decir, su posicion axial parado) por efecto giroscopico. Se recuerda que el efecto giroscopico es la tendencia que tiene cualquier cuerpo, en rotacion rapida alrededor de un eje, a oponerse a cualquier esfuerzo tendente a modificar la direccion de su eje de rotacion. Asl, la posicion axial del arbol sigue siendo la misma en el seno de la turbomaquina cualesquiera que sean las situaciones de utilizacion normales de la turbomaquina, por una parte gracias al cojinete (que mantiene el arbol en su posicion de origen en el seno de la turbomaquina y soporta su peso cuando la turbomaquina esta parada) y, por otra, gracias al efecto giroscopico (que estabiliza el arbol alrededor de su posicion de origen en el seno de la turbomaquina cuando la turbomaquina funciona).
Por otra parte, presentando la turbomaquina un unico cojinete, se consigue un ahorro de peso con respecto a las turbomaquinas de la tecnica anterior que presentan varios cojinetes. Asl, la turbomaquina de acuerdo con la invencion es mas ligera y por consiguiente presenta un rendimiento mejorado con respecto a las turbomaquinas de la tecnica anterior.
Este unico cojinete permite igualmente realizar un ahorro de espacio en el seno de la turbomaquina. En efecto, el unico cojinete de la turbomaquina de acuerdo con la invencion ocupa menos espacio que varios cojinetes de las turbomaquinas de la tecnica anterior. En particular, este ahorro de espacio permite a la turbomaquina de acuerdo con la invencion presentar un volumen reducido con respecto a las turbomaquinas de la tecnica anterior, por ejemplo acortando el arbol.
Se observara que por « unico cojinete » se entiende designar un conjunto que comprenda un solo anillo de soporte del arbol, o bien un conjunto que comprenda varios anillos de soporte del arbol puestos uno al lado de otro, en la medida en que estos anillos de soporte puestos uno al lado de otro esten repartidos sobre menos del 10% de la longitud del arbol.
Ventajosamente, comprendiendo la turbomaquina una zona caliente, el unico cojinete esta dispuesto fuera de la citada zona caliente.
Clasicamente, en una turbomaquina, la zona caliente es la zona en la proximidad e inmediatamente aguas abajo de la camara de combustion en la cual se situan las turbinas (libres y/o asociadas) arrastradas por los gases calientes.
Se comprende por tanto que el cojinete puede estar dispuesto en todas las zonas a lo largo del arbol fuera de la zona caliente. En particular, el cojinete puede estar dispuesto aguas arriba de la camara de combustion, o mas alla de la zona inmediatamente aguas abajo de la camara de combustion.
De acuerdo con un modo de realizacion, especialmente cuando la turbomaquina es un turborreactor o un turbomotor de helicoptero, el cojinete esta dispuesto en una zona frla de la turbomaquina, es decir una zona cuya temperatura no exceda de 200 °C (doscientos grados Celsius).
De acuerdo con otro modo de realizacion, el cojinete esta en la zona caliente de la turbomaquina. En este caso, para proteger el unico cojinete de las elevadas temperaturas, el mismo queda confinado en una zona enfriada y/o en una zona protegida por una pantalla termica.
Se observara que en la presente exposicion, los terminos « aguas arriba » o « aguas abajo » hacen referencia al sentido de circulacion normal de los gases en la turbomaquina.
Preferentemente, comprendiendo la turbomaquina una camara de combustion, el unico cojinete esta dispuesto aguas arriba de la citada camara de combustion.
La temperatura de los gases aguas arriba de la camara de combustion es inferior a la temperatura de los gases aguas abajo de la camara de combustion. Asl, disponiendo el cojinete aguas arriba de la camara de combustion, se asegura que el cojinete esta dispuesto en un entorno en el cual el mismo esta sometido a tensiones termicas mas pequenas que si estuviera dispuesto aguas abajo de la camara de combustion. Estas tensiones termicas aguas arriba de la camara de combustion son suficientemente pequenas para no danar el cojinete, y no necesitar un dispositivo de refrigeracion de este ultimo.
Preferentemente, comprendiendo la turbomaquina un compresor, el unico cojinete esta dispuesto aguas arriba del citado compresor.
Ventajosamente, comprendiendo la turbomaquina un compresor, una primera turbina, y una segunda turbina, el citado arbol constituye un primer arbol que lleva al menos una rueda de turbina que pertenece a uno de los elementos entre la primera turbina y la segunda turbina, y el citado unico cojinete constituye un primer unico cojinete.
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Por ejemplo, de acuerdo con una variante, la primera turbina es una turbina asociada mientras que la segunda turbina es una turbina libre. De acuerdo con otra variante, la primera turbina es una turbina asociada a un cuerpo de alta presion mientras que la segunda turbina es una turbina asociada a un cuerpo de baja presion.
La turbomaquina comprende ademas un segundo arbol orientado sensiblemente verticalmente en las situaciones de utilizacion normales de la turbomaquina, llevando el citado segundo arbol al menos una rueda de turbina que pertenece al otro elemento entre la primera turbina y la segunda turbina, siendo sostenido el citado segundo arbol por un segundo unico cojinete.
Ventajosamente, el primer arbol y el segundo arbol son coaxiales. Ademas, el primer arbol atraviesa preferentemente el segundo arbol. Todavla preferentemente, los primero y segundo unicos cojinetes estan dispuestos aguas arriba del compresor.
De acuerdo con un modo de realizacion, la turbomaquina de acuerdo con la invencion es (es decir constituye) un turbomotor o un turborreactor de aeronave. Preferentemente, la turbomaquina de acuerdo con la invencion es (es decir constituye) un turbomotor de helicoptero.
La invencion y sus ventajas se comprenderan mejor con la lectura de la descripcion detallada hecha en lo que sigue de modos de realizacion de la invencion dados a tltulo de ejemplos no limitativos. Esta descripcion hace referencia a las figuras anejas, en las cuales:
- la figura 1 representa esquematicamente, en corte longitudinal, un primer ejemplo de turbomaquina, y
- la figura 2 representa esquematicamente, en corte longitudinal, un segundo ejemplo de turbomaquina.
La figura 1 representa un primer ejemplo de turbomaquina 10 vista esquematicamente en corte longitudinal segun el eje X de la turbomaquina 10. El eje X de la turbomaquina 10 esta orientado verticalmente, es decir paralelamente a la direction de la gravedad G representada por la flecha en negro. Las flechas en trazos discontinuos indican el sentido de circulation de los gases en la turbomaquina.
La turbomaquina 10 comprende un arbol 12 orientado verticalmente y mantenido por un unico cojinete 14, estando representada la turbomaquina en una situation de utilizacion normal. La turbomaquina 10 comprende un compresor 16, una turbina asociada 18 y una turbina libre 20, constituyendo el arbol 12 un primer arbol que lleva una rueda de turbina que pertenece a la turbina libre 20, y constituyendo el unico cojinete 14 un primer unico cojinete.
En el ejemplo representado, la turbina libre 20 y la turbina asociada 18 comprenden solamente una sola rueda de turbina. Naturalmente, de acuerdo con una variante, la turbina asociada y/o la turbina libre pueden presentar varias ruedas de turbina.
La turbomaquina 10 comprende ademas un segundo arbol 22 orientado igualmente verticalmente, llevando el segundo arbol 22 una rueda de turbina que pertenece a la turbina asociada 18, siendo mantenido el segundo arbol 22 por un segundo unico cojinete 24.
El primer arbol 12 es coaxial con el segundo arbol 22 y atraviesa el segundo arbol 22.
Los primero y segundo unicos cojinetes 14 y 24 estan dispuestos aguas arriba del compresor 16.
El primer arbol 12 que lleva la turbina libre 20 esta unido mecanicamente a un dispositivo de transmision de fuerza no representado a fin de utilizar la energla motriz generada por la turbomaquina 10.
La turbomaquina 10 comprende igualmente una camara de combustion 26 de geometrla anular alrededor del eje X, estando dispuestos los primero y segundo unicos cojinetes 14 y 24 aguas arriba de la camara de combustion 26. Se observara que en este ejemplo el compresor 16 y la turbina asociada 18 son llevados ambos por el segundo arbol 22 mientras que la turbina libre 20 es llevada por el primer arbol 12. La camara de combustion 26 es inmovil y es llevada por el carter de la turbomaquina 10. Por otra parte, la turbina libre 20 esta dispuesta aguas abajo de la turbina asociada 18.
Los gases a temperatura ambiente penetran en la turbomaquina 10 por la boca de admision de gas 28. Estos gases son comprimidos entonces por el compresor 16. A continuation, los gases entran en la camara de combustion 26 en la que un carburante es inyectado y quemado. Esto calienta los gases. Estos gases calientes experimentan a continuacion una descompresion y se refrigeran atravesando las turbinas 18 y 20. La turbina asociada 18 arrastra al compresor 16 mientras que la turbina libre 20 arrastra al primer arbol 12 que transmite la energla mecanica as! recuperada al dispositivo de transmision de fuerza no representado. Finalmente, los gases son encaminados hacia el exterior de la turbomaquina 10 a traves de la boca de escape 30. Se comprende por tanto que la temperatura de los gases es decreciente desde la camara de combustion 26 hasta la turbina libre 20, y de modo mas general hasta la boca de escape de los gases 30.
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Asl, la zona ZC comprendida entre aguas arriba de la camara de combustion 26 y aguas debajo de la turbina libre 20 constituye una zona caliente de la turbomaquina 10. Debera observarse que las turbinas asociada 18 y libre 20 estan dispuestas en la zona inmediatamente aguas abajo de la camara de combustion 26.
Disponiendo los primer y segundo unicos cojinetes 14 y 24 aguas arriba del compresor 16, en la proximidad de la boca de admision de gases 28, los primeros y segundos unicos cojinetes 14 y 24 se disponen fuera de la zona caliente ZC. De acuerdo con otra variante, el primero y/o el segundo cojinete estan dispuestos fuera de la zona caliente ZC aguas abajo de la turbina libre 20. Sin embargo, aunque soportable por los unicos cojinetes 14 y 24, la temperatura ambiente es aqul mas elevada que aguas arriba de la zona caliente Zc. En otras palabras, aguas arriba de la camara de combustion 26, y de modo mas particular en la proximidad de la boca de admision de gas 28, es en la que los cojinetes 14 y 24 son sometidos a las menores tensiones termicas.
En este ejemplo, el unico cojinete 14 comprende un solo anillo de soporte de arbol 14a mientras que el unico cojinete 24 comprende dos anillos de soporte de arbol 24a y 24b. Estos anillos de soporte 14a y 24a y 24b son por ejemplo rodamientos de bolas, rodamientos de rodillos u otros.
Por otra parte, los cojinetes 14 y 24 estan dispuestos en la parte inferior de la turbomaquina 10 segun la direccion vertical (que coincide con la direccion axial X de la turbomaquina 10). De modo mas general, en las figuras 1 y 2, la parte inferior corresponde a la parte baja de las figuras mientras que la parte superior corresponde a la parte alta de las figuras. En otras palabras, la parte inferior es la parte hacia la cual esta dirigido el sentido de la gravedad G, siendo la parte superior la parte opuesta.
En la figura 1, los cojinetes 14 y 24 sostienen los arboles 12 y 22 por sus extremidades inferiores. Asl, los cojinetes 14 y 24 sostienen « por la parte baja » los arboles 12 y 22. En otras palabras, se considera que la arquitectura de la turbomaquina 10 es una arquitectura « apoyada » sobre los cojinetes 14 y 24. En este ejemplo los gases son admitidos en la turbomaquina 10 por la parte baja en la parte inferior de la turbomaquina 10 y son expulsados por la parte alta desde la parte superior de la turbomaquina 10.
La figura 2 representa un segundo ejemplo de turbomaquina 110 similar al primer ejemplo de turbomaquina 10. Los componentes similares no son descritos de nuevo y tienen sus referencias numericas incrementadas en 100.
La principal diferencia entre la turbomaquina 10 y la turbomaquina 110 es que las mismas estan invertidas una con respecto a la otra, encontrandose los elementos de la parte inferior de la turbomaquina 10 en la parte superior de la turbomaquina 110 y viceversa. Asl, los primero y segundo unicos cojinetes 114 y 124 estan en la parte superior de la turbomaquina 110 y sostienen los primero y segundo arboles 112 y 122 « por la parte alta », a nivel de sus extremidades superiores. En otras palabras, se considera que la arquitectura de la turbomaquina 110 es una arquitectura « suspendida » de los cojinetes 114 y 124. En este ejemplo, los gases son admitidos en la turbomaquina 110 por la parte alta en la parte superior de la turbomaquina 110 y son expulsados por la parte baja desde la parte inferior de la turbomaquina 110.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Turbomaquina que comprende un compresor (16), un primer arbol (12), un segundo arbol (22), una primera turbina (18, 20) y una segunda turbina (18, 20), llevando el primer arbol (12) al menos una rueda de turbina, que pertenece a uno de los elementos entre la primera turbina (18, 20) y la segunda turbina (18, 20), llevando el segundo 5 arbol (22) al menos una rueda de turbina que pertenece al otro elemento entre la primera turbina (18, 20) y la segunda turbina (18, 20) en la cual los primero y segundo arboles (12, 22) estan orientados sensiblemente verticalmente en las situaciones de utilizacion normales de la turbomaquina (10), caracterizada por que el primer arbol (12) es sostenido por un primer unico cojinete (14) mientras que el segundo arbol (22) es sostenido por un segundo unico cojinete (24).
    10 2. Turbomaquina de acuerdo con la reivindicacion 1, en la cual el primer arbol (12) y el segundo arbol (22) son
    coaxiales.
  2. 3. Turbomaquina de acuerdo con la reivindicacion 2, en la cual el primer arbol (12) atraviesa el segundo arbol (22).
  3. 4. Turbomaquina de acuerdo con la reivindicacion 3, que comprende una zona caliente (ZC), en la cual los primero y segundo unicos cojinetes (14, 24) estan dispuestos fuera de la citada zona caliente (ZC).
    15 5. Turbomaquina de acuerdo con las reivindicaciones 3 o 4, que comprende una camara de combustion (26), en la
    cual los primero y segundo unicos cojinetes (14, 24) estan dispuestos aguas arriba de la citada camara de combustion (26).
  4. 6. Turbomaquina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en la cual los primero y segundo unicos cojinetes (14, 24) estan dispuestos aguas arriba del compresor (16).
    20 7. Turbomaquina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que constituye un turbomotor o un
    turborreactor de aeronave.
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