ES2637991T3

ES2637991T3 - Medio amortiguador para amortiguar un movimiento de álabe de una turbomáquina

Info

Publication number: ES2637991T3
Application number: ES11813768.6T
Authority: ES
Inventors: Carsten SCHÖNHOFF; Manfred Dopfer; Martin Pernleitner; Wilfried SCHÜTTE
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2031-11-29
Also published as: US9506372B2; EP2646656B1; WO2012072069A1; US20130287583A1; DE102010052965A1; EP2646656A1; DE102010052965B4

Abstract

Medio amortiguador (2) para amortiguar un movimiento de álabe de una turbomáquina (1), presentando el medio amortiguador (2) al menos una superficie lateral (21, 21') que está prevista para amortiguar el movimiento de álabe mediante un contacto de fricción con una superficie de fricción de la turbomáquina (1), en donde la superficie lateral (21, 21') está configurada abombada asimétricamente y caracterizado por un medio (24) de protección contra la torsión.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Medio amortiguador para amortiguar un movimiento de alabe de una turbomaquina

La invencion se refiere a un medio amortiguador para amortiguar un movimiento de alabe de una turbomaquina segun la reivindicacion 1 y a un procedimiento para producir el medio amortiguador segun la reivindicacion 10. Las turbomaquinas, especialmente las turbinas de gas o de vapor, presentan un rotor y unos alabes que estan repartidos por la periferia del rotor y acoplados con el rotor. Los alabes han de disenarse de tal manera que durante un funcionamiento de la turbina resistan un gran numero de esfuerzos, como por ejemplo fuerzas centnfugas, corrosion erosiva y oscilaciones.

Los esfuerzos de oscilacion, a los que se refiere la presente invencion, pueden originarse por una combinacion del medio que fluye a traves de la turbina y de las fuerzas que actuan sobre los alabes. Los esfuerzos de oscilacion pueden llevar a mas largo plazo a una alteracion de la estructura del material de los alabes, que puede terminar en una rotura por fatiga. Asf pues, es necesario amortiguar las oscilaciones de los alabes. En el estado actual de la tecnica se conocen numerosos medios amortiguadores para oscilaciones de alabes.

En el documento DE 103 40 773, un medio amortiguador para un alabe movil de una turbina esta dispuesto en una escotadura de una plataforma de alabe movil. El medio amortiguador presenta, en una seccion transversal normal al eje, una forma triangular con bordes longitudinales redondeados. Los bordes longitudinales presentan entre las esquinas, en cada caso, una forma abombada simetricamente. Durante un funcionamiento de la turbina, el medio amortiguador se apoya, para amortiguar el movimiento del alabe movil, en una pared interior de la escotadura y en una superficie de friccion de otra plataforma de alabe movil.

Una desventaja de los medios amortiguadores que presentan una forma abombada simetricamente utilizados en el estado actual de la tecnica consiste en como esta determinada la zona de contacto de friccion con una superficie de friccion de la turbomaquina debido a la configuracion abombada simetricamente del borde longitudinal del medio amortiguador. En caso de una superficie de friccion conformada correspondientemente en la turbomaquina, esto puede hacer que el medio amortiguador se apoye de manera desfavorable en la superficie de friccion de la turbomaquina. Asf, la superficie de friccion de la turbomaquina puede estar configurada de tal manera que el medio amortiguador se apoye solo en una pequena zona de contacto de friccion en la superficie de friccion de la turbomaquina. Esto hace que el calor de friccion que se produce durante la amortiguacion del movimiento del alabe pueda evacuarse solo a traves de la pequena zona de contacto de friccion, lo que puede causar danos en el medio amortiguador y/o en el componente de friccion correspondiente de la turbomaquina o un desgaste de los mismos.

El objetivo de la presente invencion es mejorar la amortiguacion de un alabe de turbomaquina.

Para lograr este objetivo, un medio amortiguador segun el preambulo de la reivindicacion 1 esta perfeccionado mediante sus caractensticas identificativas. La reivindicacion 6 pone bajo proteccion una turbomaquina en la que se emplea el medio amortiguador. La reivindicacion 10 pone bajo proteccion un procedimiento para producir el medio amortiguador.

Segun la invencion, el medio amortiguador presenta al menos una superficie lateral abombada asimetricamente que esta prevista para amortiguar un movimiento de alabe de una turbomaquina. En caso de una oscilacion del alabe durante el funcionamiento de la turbomaquina, el movimiento de oscilacion del alabe es amortiguado mediante una friccion de la superficie lateral del medio amortiguador con la superficie de friccion de la turbomaquina en la zona de contacto de friccion.

La superficie lateral abombada asimetricamente permite desplazar la zona de contacto de friccion entre la superficie de friccion de la turbomaquina y la superficie lateral del medio amortiguador a una zona mas favorable. La zona de contacto de friccion se desplaza preferiblemente de tal manera que se agrande la zona de contacto de friccion entre la superficie lateral del medio amortiguador y la superficie de friccion de turbomaquina. El calor de friccion que se produce durante una amortiguacion del movimiento del alabe puede evacuarse a traves de la zona de contacto de friccion de mayor tamano a un componente de friccion de la turbomaquina. De este modo disminuye el peligro de que, durante la amortiguacion del movimiento del alabe, el medio amortiguador y/o el componente de friccion resulten danados o se desgasten debido al calor de friccion.

Otra ventaja de la utilizacion de una superficie lateral abombada asimetricamente consiste en que, en caso de un desgaste de la superficie lateral del medio amortiguador debido a la friccion y/o al calentamiento, la zona de friccion del medio amortiguador, y por lo tanto la zona de contacto de friccion entre el medio amortiguador y la superficie de friccion de la turbomaquina, aumenta de manera sobreproporcional. Una zona de contacto de friccion mayor permite una evacuacion mas rapida del calor de friccion, con lo que disminuye el peligro de que el medio amortiguador y/o el componente de friccion de la turbomaquina resulten danados y/o se desgasten. Ademas, una ventaja de una superficie lateral abombada asimetricamente consiste en que, en caso de un desgaste condicionado por la friccion, se produce una adaptacion de la zona de friccion del medio amortiguador a la superficie de friccion respectiva del componente de friccion de la turbomaquina. De este modo se compensan imprecisiones de fabricacion del

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

componente de friccion. Como resultado de ello disminuye el gasto de fabricacion para la produccion del componente de friccion de la turbomaquina.

En el sentido de la invencion, se denomina “abombada” una superficie curvada de manera convexa. En el sentido de la invencion, se entiende por una superficie asimetrica una superficie que presenta dos zonas definidas que no pueden convertirse una en otra mediante una reflexion en un eje o plano. Por lo tanto, en el sentido de la invencion, se entiende por superficie lateral abombada asimetricamente en particular una superficie lateral curvada de manera convexa que presenta dos secciones de diferente configuracion. Las secciones estan configuradas de tal manera que no existe ningun plano de reflexion que se extienda perpendicularmente a la superficie lateral y con respecto al cual las secciones separadas por el plano de reflexion tengan simetna especular una en relacion con la otra.

En el sentido de la invencion, se entiende por zona de contacto de friccion una zona en la que, durante un movimiento del alabe, se produce una friccion entre la zona de friccion del medio amortiguador y la superficie de friccion de la turbomaquina.

En el sentido de la invencion, se entienden por componentes de friccion todos los componentes de una turbomaquina que se hallan en contacto de friccion con el medio amortiguador, para amortiguar una oscilacion del alabe. En particular, un componente de friccion puede formar parte de un alabe o puede estar acoplado con un alabe. Asf, por ejemplo, una plataforma de alabe, una placa de tapa de un alabe y un medio de posicionamiento para el alabe movil en la direccion del eje del rotor pueden tratarse en cada caso de un componente de friccion en el sentido de la presente invencion. A continuacion se describen mas detalladamente los componentes de friccion antes mencionados.

En una realizacion preferida, la superficie lateral abombada asimetricamente puede estar configurada de tal manera que pueda girar en escasa medida alrededor de un eje central de amortiguacion. A consecuencia de la friccion de la superficie lateral con la superficie de friccion de la turbomaquina, actua sobre el medio amortiguador una fuerza de friccion que puede provocar un ligero giro del medio amortiguador. La superficie lateral abombada asimetricamente esta configurada de tal manera que, en caso de un ligero giro del medio amortiguador, aumente la zona de friccion del medio amortiguador y, por lo tanto, la zona de contacto de friccion entre el medio amortiguador y el componente de friccion de la turbomaquina.

La superficie lateral puede presentar al menos dos secciones con radios de curvatura diferentes. En este contexto, al menos una seccion que este radialmente mas alejada de un eje de rotor puede presentar un radio de curvatura menor que una seccion situada radialmente mas cerca del eje de rotor. Cuando la superficie de friccion de la turbomaquina entra en contacto con la seccion con el radio de curvatura pequeno antes mencionado de la superficie lateral se mejora la amortiguacion de la oscilacion del alabe. La mejora de la amortiguacion se logra gracias a que la zona de contacto de friccion se forma en una zona de la superficie lateral del medio amortiguador que esta alejada del eje de rotor. En este contexto se aplica el que cuanto mas alejada del eje de rotor este la seccion de contacto de friccion, tanto mayor sera un par de friccion, que amortigua la oscilacion del alabe, provocado por la fuerza de friccion que se presenta en la seccion de contacto de friccion.

Una configuracion ventajosa de la invencion consiste en que el medio amortiguador presenta un cuerpo base que, en una seccion transversal normal al eje, esta configurado con forma triangular o poligonal. Las superficies laterales del cuerpo base triangular o poligonal pueden presentar en cada caso esquinas del cuerpo base redondeadas. La seccion de la superficie lateral abombada asimetricamente que presenta un menor radio de curvatura y esta prevista en el extremo de la superficie lateral alejado del eje de rotor puede estar prevista en cada caso adyacente a las esquinas redondeadas.

En el medio amortiguador esta montado un medio de proteccion contra la torsion y/o un medio de fijacion. El medio de proteccion contra la torsion impide o limita una torsion del medio amortiguador alrededor de un eje central de amortiguacion dentro de una escotadura de la turbomaquina. Durante el funcionamiento de la turbomaquina, el medio amortiguador se mueve en una direccion opuesta al eje de rotor debido a la fuerza centnfuga. Sobre el medio amortiguador actua una fuerza de giro que hace que el medio amortiguador gire alrededor del eje central de amortiguacion hasta que el medio de proteccion contra la torsion tropieza con una superficie de tope prevista en la turbomaquina. El medio de proteccion contra la torsion esta configurado preferiblemente de tal manera que tropieza con la superficie de tope cuando el medio amortiguador esta girado a una posicion en la que la seccion con el radio de curvatura pequeno anteriormente mencionada se halla en contacto de friccion con la superficie de friccion de la turbomaquina.

En caso de un desgaste de la superficie lateral debido a la friccion, cambia la forma del medio amortiguador y, por lo tanto, la posicion del centro de gravedad del medio amortiguador. Mediante una configuracion constructiva correspondiente de las superficies laterales del medio amortiguador es posible ajustar la posicion del centro de gravedad. De este modo puede mejorarse la caractenstica dinamica del medio amortiguador.

El medio de fijacion sirve para impedir o limitar un movimiento del medio amortiguador, en particular en direccion a un eje de rotor de la turbomaquina. Asf pues, el medio de fijacion asegura que el medio de fijacion no pueda abandonar la escotadura de la turbomaquina.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

La turbomaquina puede tratarse de una turbina de gas o de vapor y en particular de un motor aeronautico. La turbomaquina presenta un rotor, y alabes de estator y alabes moviles repartidos por la periferia del rotor, que estan dispuestos unos tras otros en la direccion de flujo del gas. En el rotor estan previstas unas ranuras repartidas por la periferia del rotor. Las ranuras se extienden paralelamente a un eje de rotor. El alabe, especialmente un alabe movil, puede presentar una placa de cubrimiento, una hoja de alabe, una plataforma de alabe y un pie de alabe. Mediante el pie de alabe, el alabe se coloca en la ranura en una posicion fija en direccion radial con respecto al eje de rotor. Una fijacion del alabe en la direccion axial del rotor puede realizarse mediante una chapa de seguridad prevista en la ranura y/o mediante un medio de posicionamiento previsto por separado en el rotor.

Una oscilacion del alabe puede presentarse en relacion con el alabe y el rotor y/o entre dos o mas alabes. Para amortiguar la oscilacion del alabe, el medio amortiguador puede disponerse en distintos puntos en la turbomaquina.

La placa de cubrimiento de un alabe puede presentar una escotadura que defina, al menos parcialmente, una cavidad, especialmente cerrada, y en la que este dispuesto el medio amortiguador. Asf, pueden definir la cavidad las escotaduras de dos placas de cubrimiento de alabes dispuestos adyacentes. El medio amortiguador esta dispuesto en la escotadura de tal manera que, durante el funcionamiento de la turbomaquina, el medio amortiguador esta respectivamente en contacto de friccion, mediante una superficie lateral, con una superficie de friccion de las escotaduras de una placa de cubrimiento y, con otra superficie lateral, con una superficie de friccion de la escotadura de la otra placa de cubrimiento.

Como alternativa o adicionalmente, un medio amortiguador puede estar dispuesto en una escotadura en un medio de posicionamiento que asegure la posicion del alabe en la direccion axial del rotor. En este contexto, el medio amortiguador esta dispuesto de tal manera que, con una superficie lateral, esta en contacto de friccion con una superficie de friccion del medio de posicionamiento. Ademas, el medio amortiguador esta, en otra superficie lateral, en contacto, especialmente en contacto de friccion, con una superficie de alabe.

Como alternativa o adicionalmente, un medio amortiguador puede estar dispuesto en una escotadura de una plataforma de alabe. La plataforma de alabe esta dispuesta entre el pie de alabe y la hoja de alabe. El medio amortiguador esta dispuesto en la escotadura de tal manera que, durante el funcionamiento de la turbomaquina, el medio amortiguador esta con una superficie lateral en contacto de friccion con una superficie de friccion de la plataforma de alabe, en la que esta prevista la escotadura, y con otra superficie lateral en contacto de friccion con una superficie de friccion de una plataforma de alabe adyacente.

El medio amortiguador, que presenta al menos una superficie lateral abombada asimetricamente, puede producirse preferiblemente mediante conformacion primaria, conformacion y/o mediante un procedimiento de fabricacion con arranque de virutas.

De las reivindicaciones subordinadas y del ejemplo de realizacion se desprenden otras caractensticas y ventajas. A este respecto, se muestran:

Figura 1: una representacion esquematica de un medio amortiguador en una cavidad segun una realizacion

de la invencion.

Figura 2: una vista A-A ampliada de una zona de contacto de friccion de la Figura 1 segun una realizacion

de la invencion.

El medio amortiguador 2 mostrado en la figura 1 presenta, en una seccion transversal normal al eje, un cuerpo base 20 en esencia triangular. El cuerpo base triangular 20 presenta una superficie 25 de apoyo y dos superficies laterales 21, 21', que se convierten unas en otras en unos extremos redondeados. Las superficies laterales 21, 21' presentan en cada caso una forma abombada asimetricamente. La forma abombada asimetricamente de las distintas superficies laterales 21, 21' resulta de que las superficies laterales 21, 21' presentan en cada caso tres secciones con radios R1, R2, R3 de curvatura respectivamente diferentes. El medio amortiguador 2 presenta ademas un medio 24 de proteccion contra la torsion, que esta montado en el cuerpo base 20 y se extiende sobre la superficie 25 de apoyo en direccion radial con respecto a un eje de rotor no representado.

El medio amortiguador 2 esta dispuesto en una cavidad definida por dos escotaduras 11 de unos alabes 10, 10' de una turbomaquina 1 dispuestos adyacentes. En una seccion transversal normal al eje, la cavidad presenta una seccion transversal triangular, estando las distintas paredes de la cavidad configuradas mas largas que las superficies laterales 21 o la superficie 25 de apoyo del medio amortiguador 2. Al mismo tiempo, el medio amortiguador 2 esta dispuesto en la cavidad de tal manera que este en contacto con las paredes de la cavidad de los dos alabes 10, 10' independientemente del estado de funcionamiento de la turbomaquina 1.

Ambas superficies laterales 21, 21' del medio amortiguador 2 presentan una primera seccion con un primer radio R1 de curvatura, una segunda seccion con un segundo radio R2 de curvatura y una tercera seccion con un tercer radio R3 de curvatura. Ademas, en ambas superficies laterales 21, 21', la segunda seccion con el segundo radio R2 de curvatura esta dispuesta entre la primera y la segunda seccion y configurada mas larga que la primera y la tercera seccion. El tercer radio R3 de curvatura presenta un valor menor que el primer y el segundo radio R1, R2 de curvatura. Ademas, el primer radio R1 de curvatura presenta un valor menor que el segundo radio R2 de curvatura.

4

5

10

15

20

25

30

En la primera superficie lateral 21, la primera seccion con el primer radio R1 de curvatura se halla en el extremo de la superficie lateral 21 cercano al eje de rotor, en direccion radial con respecto al eje de rotor. La tercera seccion con el tercer radio R3 de curvatura esta dispuesta en el extremo de la superficie lateral 21 alejado del eje de rotor, en direccion radial con respecto al eje de rotor, y se halla en contacto de friccion con la pared correspondiente de la cavidad en una zona 22 de contacto de friccion.

En la segunda superficie lateral 21', la primera seccion con el primer radio R1 de curvatura esta dispuesta en el extremo de la superficie lateral 21' alejado del eje de rotor, en direccion radial con respecto al eje de rotor. La tercera seccion con el tercer radio R3 de curvatura esta dispuesta en el extremo de la superficie lateral 21' cercano al eje de rotor, en direccion radial con respecto al eje de rotor, y se halla en contacto de friccion con la pared correspondiente de la cavidad en una zona 22 de contacto de friccion.

El alabe 10 de la turbomaquina 1 esta configurado de tal manera que presenta una escotadura 14 a traves de la cual se extiende el medio 24 de proteccion contra la torsion, en una direccion radial con respecto al eje de rotor. La escotadura 14 esta delimitada por las paredes de la escotadura 14 y por una superficie 12 de tope. La superficie 12 de tope esta prevista en el alabe 10', que es adyacente al alabe 10 con la escotadura 14. La escotadura 14 esta configurada de tal manera que el medio amortiguador 2 no pueda salirse de la cavidad a traves de la misma en un estado de reposo de la turbina. En un estado de reposo de la turbomaquina 1, no representado, el medio amortiguador 2 se apoya mediante la superficie 25 de apoyo en la pared correspondiente de la cavidad, y el medio 24 de proteccion contra la torsion se extiende a traves de la escotadura 14 en direccion radial con respecto al eje de rotor.

Durante el funcionamiento de la turbomaquina 1, el medio amortiguador 2 es movido debido a la fuerza centnfuga en direccion radial, en una direccion opuesta al eje de rotor, hasta que las superficies laterales 21, 21' tropiezan con las paredes de la cavidad. Durante este movimiento en direccion a las paredes de la cavidad se realiza una torsion del medio amortiguador 2 alrededor de un eje de amortiguacion.

El medio amortiguador 2 gira hasta que el medio 24 de proteccion contra la torsion tropieza con la superficie 12 de apoyo de uno de los alabes 10. Como resultado de ello, las dos superficies laterales 21, 21' del medio amortiguador 2 se hallan respectivamente en contacto de friccion con las paredes de la cavidad en la zona 22 de contacto de friccion. Cuando uno o ambos alabes 10, 10' se mueve o se mueven en direccion radial y/o axial, el movimiento del alabe o de los alabes puede amortiguarse gracias al contacto de friccion del medio amortiguador 2 con las paredes de la cavidad.

La figura 2 muestra una vista A-A ampliada de la zona 22 de contacto de friccion de la figura 1. Como puede verse en la figura 2, la tercera seccion con el radio R3 de curvatura de la primera superficie lateral 21 se halla en contacto de friccion con la pared de la cavidad. La segunda seccion de la primera superficie lateral 21 con el radio R2 de curvatura, que es mayor que el radio R3 de curvatura, no se halla en contacto de friccion con la pared de la cavidad.

Claims

5

10

15

20

25

30

REIVINDICACIONES

1. Medio amortiguador (2) para amortiguar un movimiento de alabe de una turbomaquina (1), presentando el medio amortiguador (2) al menos una superficie lateral (21, 21') que esta prevista para amortiguar el movimiento de alabe mediante un contacto de friccion con una superficie de friccion de la turbomaquina (1), en donde la superficie lateral (21, 21') esta configurada abombada asimetricamente y caracterizado por un medio (24) de proteccion contra la torsion.
2. Medio amortiguador (2) segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la superficie lateral (21, 21') presenta al menos dos secciones con radios (R1, R2, R3) de curvatura diferentes.
3. Medio amortiguador (2) segun la reivindicacion 2, caracterizado por que una seccion de la superficie lateral (21, 21') que esta radialmente mas alejada de un eje de rotor de la turbomaquina (1) presenta un radio de curvatura menor que una seccion de la superficie lateral (21, 21') que esta radialmente mas cerca del eje de rotor.
4. Medio amortiguador (2) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por que el medio amortiguador (2) presenta una seccion transversal normal al eje triangular o poligonal.
5. Medio amortiguador (2) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un medio de fijacion para limitar o impedir un movimiento del medio amortiguador (2), especialmente en direccion a un eje de rotor de la turbomaquina (1).
6. Turbomaquina (1), en particular turbina de gas o de vapor, con un rotor y al menos un alabe (10), en particular un alabe movil acoplado con el rotor, caracterizada por que la turbomaquina (1) presenta un medio amortiguador (2) segun una de las reivindicaciones precedentes.
7. Turbomaquina (1) segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el alabe (10) presenta una hoja de alabe y, en el extremo de la hoja de alabe alejado del rotor, una placa de cubrimiento, presentando la placa de cubrimiento una escotadura que define, al menos parcialmente, una cavidad, especialmente cerrada, en la que esta dispuesto el medio amortiguador (2).
8. Turbomaquina (1) segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el medio amortiguador (2) esta dispuesto, al menos parcialmente, en una cavidad en un medio de posicionamiento para el alabe (10) en direccion axial.
9. Turbomaquina (1) segun la reivindicacion 6, caracterizada por que el alabe (10) presenta una hoja de alabe y, en el extremo de la hoja de alabe orientado hacia el rotor, una plataforma, presentando la plataforma una escotadura que define, al menos parcialmente, una cavidad, especialmente cerrada, en la que esta dispuesto el medio amortiguador (2).
10. Procedimiento para producir un medio amortiguador (2) segun una de las reivindicaciones 1 a 5 precedentes, caracterizado por que al menos una superficie lateral (21, 21') se produce abombada asimetricamente, especialmente se conforma de manera primaria y/o se conforma y/o se procesa con arranque de virutas, y por que el medio amortiguador (2) presenta un medio (24) de proteccion contra la torsion.