ES2677045T3 - Segmento de corona de paletas para una turbomáquina y procedimiento para la fabricación - Google Patents

Segmento de corona de paletas para una turbomáquina y procedimiento para la fabricación Download PDF

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Abstract

Segmento de corona de paletas para una turbomáquina con al menos una banda cobertora (5, 6; 21, 26), que se extiende a lo largo de un segmento circular y está conectada en una pieza con al menos tres paletas (2, 3, 4; 22, 23, 24, 25), que se extienden respectivamente radialmente desde la banda cobertora y están configuradas respectivamente huecas con al menos un canal, en donde el segmento de corona de paletas está configurado en una pieza mediante colada y solidificación dirigida, caracterizado porque la banda cobertora presenta en las aberturas de salida (14, 15, 16, 17; 27, 28, 29, 30, 31) de los canales de las paletas respectivamente primeras nervaduras de refuerzo que rodean la abertura y discurren axialmente, así como respectivamente al menos una segunda nervadura de refuerzo al menos entre las primeras nervaduras de refuerzo.

Description

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DESCRIPCION
Segmento de corona de paletas para una turbomaquina y procedimiento para la fabricacion ANTECEDENTES DE LA INVENCION CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a un segmento de corona de paletas para una turbomaquina con al menos una banda cobertora, que se extiende a lo largo de un segmento circular y esta conectada en una pieza con al menos 3 paletas, que se extienden respectivamente radialmente desde la banda cobertora y estan configuradas respectivamente huecas con al menos un canal, en donde el segmento de corona de paletas esta configurado en una pieza por colada y endurecimiento dirigido. Ademas, la presente invencion se refiere a un procedimiento correspondiente para la fabricacion de un segmento de corona de paletas de este tipo.
ESTADO DE LA TECNICA
Para turbomaquinas como turbinas de gas o motores de aeronaves se usan paletas directrices y moviles, que debido a las condiciones de uso con altas temperaturas en entornos corrosivos y abrasivos y similares deben satisfacer los requerimientos mas elevados de este tipo. Para poder aumentar aun mas la capacidad de rendimiento de las turbomaquinas correspondientes o elevar la vida util de maquinas de este tipo se requiere que los componentes correspondientes se desarrollen de multiples maneras y se encuentre una estructura apropiada con perfil de propiedades equilibrado, que satisfaga los muchos requisitos diferentes de los componentes de este tipo.
Por ejemplo, en el documento EP 1 131 176 B1 se describe un segmento de paletas directrices monocristalinas y un procedimiento para su fabricacion, en el que varias paletas directrices para una turbomaquina estan formadas en una pieza en un material solidificado de forma dirigida. Debido a la solidificacion dirigida del material para la formacion de las paletas se pueden usar propiedades determinadas del material en una orientacion de cristal determinada, como por ejemplo, una elevada energfa para la activacion de planos de deslizamiento en una direccion de solicitacion principal, de modo que se aumenta la resistencia del componente. Sin embargo, un procedimiento de fabricacion de este tipo conlleva el problema de que p. ej. se deben aceptar limitaciones constructivas para posibilitar una realizacion de la solidificacion dirigida.
Correspondientemente en un segmento de corona de paletas, segun se muestra en el documento FR 2 928 962, se materializan paletas que presentan caractensticas determinadas constructivamente, como por ejemplo una configuracion hueca con canales de ventilacion correspondientes, que no obstante estan limitados respecto a la materializacion de un concepto de material ventajoso, como una solidificacion dirigida.
Por el documento WO 00/12869 A1 se conoce una paleta directriz de turbina, que presenta axialmente de forma sucesiva: en primer lugar un perfil de paleta con un contorno de perfil, en segundo lugar una plataforma con un lado de gas caliente para la limitacion de un canal de gas caliente de una turbina y un lado fno opuesto al lado de gas caliente y en tercer lugar una zona de fijacion para la recepcion de la mayor parte de solicitaciones mecanicas a traves de un medio de trabajo que fluye alrededor del perfil de paleta.
REVELACION DE LA INVENCION
OBJETIVO DE LA INVENCION
Por ello el objetivo de la presente invencion es proporcionar un segmento de corona de paletas asf como un procedimiento para la fabricacion del mismo, que posibilite una mejora adicional del segmento de corona de paletas con respecto al perfil de propiedades y la fabricabilidad.
SOLUCION TECNICA
Este objetivo se consigue mediante un segmento de corona de paletas con las caractensticas de la reivindicacion 1 asf como un procedimiento para la fabricacion de un segmento de corona de paletas con las caractensticas de la reivindicacion 8. Configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones dependientes.
La presente invencion se destaca porque se proporciona un segmento de corona de paletas con al menos una banda cobertora, con la que estan conectadas en una pieza al menos 3 paletas, preferentemente 4 paletas o mas paletas, en donde las paletas presentan respectivamente al menos un canal y por consiguiente estan huecas. El segmento de corona de paletas correspondiente esta configurado en una pieza mediante colada y solidificacion dirigida. Adicionalmente el segmento de corona de paletas presenta, en la zona de la al menos una banda cobertura en las aberturas de salida de los canales de las paletas, respectivamente primeras nervaduras de refuerzo que rodean la abertura y que discurren axialmente, asf como al menos una segunda nervadura de refuerzo que discurre entre las primeras nervaduras de refuerzo. Gracias a estas medidas es posible fabricar las paletas huecas y la banda cobertura de un material que se puede solidificar de forma dirigida, de modo que junto a las ventajas constructivas de un segmento de corona de paletas con a ser posible muchas paletas y una configuracion hueca de las paletas tambien se pueden usar las ventajas de una aleacion solidificada de forma dirigida, dado que se pueden
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optimizar en el caso de uso las dimensiones en el segmento de corona de paletas para una solidificacion dirigida y la distribucion de cargas.
Preferentemente las segundas nervaduras pueden estar dispuestas decaladas respecto a una zona de conexion de paleta y banda cobertora, de modo que no se situan en la prolongacion de las paletas.
El segmento de corona de paletas puede ser un segmento de corona de paletas para las paletas directrices o moviles. Ademas, el segmento de corona de paletas puede presentar tanto una banda cobertora interior, como tambien una exterior y por consiguiente dos bandas cobertoras.
Es ventajosa la configuracion de un segmento de corona de paletas con al menos 4, preferentemente 5 o 6 paletas, dado que luego se puede formar una corona de paletas a partir de pocos segmentos de corona de paletas, lo que reduce los costes de montaje.
La banda cobertora puede presentar en seccion transversal en la direccion axial, es decir, en una direccion en paralelo a un eje de giro de la turbomaquina, esencialmente una forma de tipo U, en donde las primeras y segundas nervaduras de refuerzo que discurren axialmente estan dispuestas entre los brazos de la forma de tipo U que forma las paredes frontales de la banda cobertora.
Las nervaduras de refuerzo pueden estar configuradas preferentemente de modo que no sobresalen de las paredes frontales de la banda cobertora en la direccion radial. Sin embargo, las nervaduras de refuerzo pueden presentar extensiones diferentes en sf, es decir, a lo largo de una de sus dimensiones, o entre sf en la direccion de anchura, altura o longitud y/o se extienden en zonas de las paredes frontales de la banda cobertora.
Un segmento de corona de paletas configurado correspondiente se puede configurar solidificado de forma dirigida, en donde para la configuracion se proporciona un molde apropiado en el que se dispone uno o varios cristales de semilla, de modo que despues del vertido del molde con el material fundido para la formacion del segmento de corona de paletas para la formacion del segmento de corona de paletas. en el caso de un enfriamiento de la masa fundida. se solidifica este con una orientacion de cristal deseada.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Los dibujos adjuntos muestra en una representacion puramente esquematica en
Fig. 1 una representacion en perspectiva de un segmento de corona de paletas segun la invencion, y en
Fig. 2 una representacion en perspectiva de una segunda forma de realizacion de un segmento de corona de paletas segun la invencion.
EJEMPLOS DE REALIZACION
Otras ventajas, rasgos y caractensticas de la presente invencion se clarifican en la siguiente descripcion detallada de ejemplos de realizacion mediante las figuras adjuntas. Sin embargo, la invencion no esta limitada a estos ejemplos de realizacion.
La figura 1 muestra un segmento de corona de paletas 1 con tres paletas 2, 3, 4 que estan dispuestas respectivamente en una banda cobertora inferior 5 y una banda cobertora superior 6. La banda cobertora superior 6 presenta una forma esencialmente de tipo U, en donde las paredes frontales 7, 8 de la banda cobertora 6 forman los brazos de la forma en U.
Las paletas 2, 3, 4 estan configuradas huecas y correspondientemente estan previstas en la zona de la banda cobertora superior 6 aberturas de extraccion de nucleo 14, 15, 16, 17, mediante las que los nucleos, que durante la colada del segmento de corona de paletas 1 configuran la cavidad de las paletas 2, 3, 4, se pueden retirar despues de la solidificacion de la masa fundida de las cavidades de las paletas 2, 3, 4. Cada paleta presenta por consiguiente al menos una abertura. No obstante, tambien es posible que esten previstas varias aberturas por paleta o por cavidad de una paleta.
El segmento de corona de paletas 1 se solidifica de forma dirigida despues de la colada, es decir, se ajusta una orientacion preferida de los cristales del segmento de corona de paletas 1. Para ello en un molde de colada se introducen antes del vertido del segmento de corona de paletas 1 uno o varios cristales de semilla, que conjuntamente con un enfriamiento apropiado se ocupan de que la masa fundida se solidifique de modo que las cristalitas esten orientadas con su rejilla en una direccion determinada. Por consiguiente se pueden usar propiedades del material, que aparecen en una orientacion de cristal determinada, para el componente colado, sin tener que fabricar un componente monocristalino.
El segmento de corona de paletas 1 mostrado presenta en la zona de las aberturas 14, 15, 16, 17 nervaduras de refuerzo 13, que rodean las aberturas 14, 15, 16, 17 correspondientes (solo la nervadura de refuerzo 13 alrededor de la abertura 14 esta provista de una referencia correspondiente).
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Adicionalmente estan previstas nervaduras de refuerzo 9, 10, 12 que se extienden en la direccion axial, es decir, en una direccion en paralelo a un eje de giro de la turbomaquina, en la que se usa el segmento de corona de paletas 1.
Las nervaduras de refuerzo 9, 10, 12 se extienden desde las nervaduras de refuerzo 13 alrededor de las aberturas 14, 15, 16, 17 y discurren hasta las paredes frontales 7, 8 y parcialmente a lo largo de estas. Adicionalmente entre las aberturas 16 y 17 esta prevista una nervadura de refuerzo 11 adicional, que se extiende de la pared frontal 7 hacia la pared frontal 8 y discurre parcialmente a lo largo de la pared frontal 8. El nervio de refuerzo 11 (segunda nervadura de refuerzo) discurre en paralelo a las nervaduras de refuerzo 9, 10, 12 (primeras nervaduras de refuerzo), no obstante, independientemente de las aberturas de extraccion de nucleo 14, 15, 16, 17 y las nervaduras de refuerzo 13 que las rodean (primeras nervaduras de refuerzo). Ademas, la nervadura de refuerzo esta dispuesta fuera de una zona de conexion de paletas 2, 3, 4 y banda cobertora 6.
Las nervaduras de refuerzo 9, 10, 11, 12 presentan una altura en paralelo a la extension longitudinal de las paletas 2, 3, 4 y una anchura en paralelo a la direccion circunferencial del segmento de corona de paletas 1, que son aproximadamente iguales. Sin embargo, la altura de las nervaduras de refuerzo 9, 10, 11, 12 es menor que la altura de las nervaduras de refuerzo 13 alrededor de las aberturas 14, 15, 16, 17. La longitud de las nervaduras de refuerzo 9, 10, 11, 12 en la direccion axial tambien es diferente. Las nervaduras de refuerzo 9, 12 discurren, por ejemplo, a lo largo de una mayor parte de la pared frontal 8 y presentan por consiguiente una longitud mayor que las nervaduras de refuerzo 10, 11. En este caso es irrelevante si se trata de nervaduras de refuerzo, que estan en conexion con nervaduras de refuerzo 13 alrededor de las aberturas 14, 15, 16, 17, o de una nervadura de refuerzo como la nervadura de refuerzo 11 entre dos aberturas 16 y 17.
El segmento de corona de paletas 1 segun la invencion representa por consiguiente un segmento de corona de paletas en una pieza, que presenta paletas 2, 3, 4 huecas y que se solidifica de forma dirigida. El segmento de corona de paletas 1 mostrado posibilita por consiguiente no solo la configuracion de un segmento de corona de paletas de este tipo, sino que tambien ofrece propiedades equilibradas, dado que en la zona de la banda cobertura 6 mediante la disposicion de las nervaduras de refuerzo 9, 10, 11, 12 se pueden evitar picos de tension en el caso de solicitacion.
La figura 2 muestra otra forma de realizacion del segmento de corona de paletas 20 segun la invencion, en la que en lugar de tres paletas como en el ejemplo de realizacion 1 estan dispuestas cuatro paletas en un segmento de corona de paletas 20 junto con dos bandas cobertoras 21 y 26. Similar a como en la figura de realizacion 1, la banda cobertora presenta una forma de tipo U con paredes frontales 39 y 40, que forman los brazos de la U. En la zona de la banda cobertora 26 estan previstas de nuevo las aberturas 27, 28, 29, 30, 31, que sirven como extraccion de nucleos para las cavidades de las paletas 22, 23, 24, 25. En la forma de realizacion de la figura 2 estan previstas nervaduras de refuerzo 32 alrededor de las aberturas 27, 28, 29, 30, 31 (de nuevo solo la nervadura de refuerzo 32 alrededor de la abertura 27 esta provista de una referencia). Adicionalmente estan dispuestas de nuevo las nervaduras de refuerzo 33, 34, 35, 36, 37, 38 que discurren axialmente de la pared frontal 39 hacia la pared frontal 40 o de una nervadura de refuerzo 32 que rodea las aberturas 27, 28, 29, 30, 31 hacia las paredes frontales 39 y 40 correspondientes. Aqrn tambien pueden estar configuradas de forma diferente la altura, longitud y anchura de las nervaduras de refuerzo. Con el segmento de corona de paletas 20 de la forma de realizacion de la figura 2 esta ligada la ventaja de que para la formacion de toda una corona de paletas se deben usar menos segmentos de corona de paletas 20 y se reduce por consiguiente el coste de montaje. Ademas, mediante el numero menor de segmentos de corona de paletas tambien es necesario un coste menor en el mecanizado. Ademas, se reduce el numero de piezas ensambladas y la posibilidad de perdidas por fugas.
Aunque la presente invencion se ha descrito de forma detallada mediante ejemplos de realizacion, para el especialista es evidente que la invencion no esta limitada a estos ejemplos de realizacion, sino que son posibles modificaciones de manera que se omitan caractensticas individuales o se efectuen otras combinaciones de caractensticas, en tanto que no se abandona el alcance de proteccion de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Segmento de corona de paletas para una turbomaquina con al menos una banda cobertora (5, 6; 21, 26), que se extiende a lo largo de un segmento circular y esta conectada en una pieza con al menos tres paletas (2, 3, 4; 22, 23, 24, 25), que se extienden respectivamente radialmente desde la banda cobertora y estan configuradas respectivamente huecas con al menos un canal, en donde el segmento de corona de paletas esta configurado en una pieza mediante colada y solidificacion dirigida, caracterizado porque la banda cobertora presenta en las aberturas de salida (14, 15, 16, 17; 27, 28, 29, 30, 31) de los canales de las paletas respectivamente primeras nervaduras de refuerzo que rodean la abertura y discurren axialmente, asf como respectivamente al menos una segunda nervadura de refuerzo al menos entre las primeras nervaduras de refuerzo.
  2. 2. Segmento de corona de paletas segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las paletas (2, 3, 4; 22, 23, 24, 25) son paletas directrices o paletas moviles.
  3. 3. Segmento de corona de paletas segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque estan previstas dos bandas cobertoras (5, 6; 21,26).
  4. 4. Segmento de corona de paletas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque estan dispuestas al menos cuatro paletas, preferentemente cinco o seis paletas en el segmento de corona de paletas.
  5. 5. Segmento de corona de paletas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la banda cobertora (6, 26) presenta en seccion transversal en direccion axial esencialmente una forma de tipo U, en donde las primeras y segundas nervaduras de refuerzo que discurren axialmente estan dispuestas entre los brazos de la forma de tipo U que forman las paredes frontales de la banda cobertora y en particular no sobresalen de los brazos.
  6. 6. Segmento de corona de paletas segun la reivindicacion 5, caracterizado porque las nervaduras de refuerzo (9, 10, 11, 12, 13; 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38) presentan anchuras o alturas diferentes en sf y/o entre sf o longitudes diferentes entre sf y se extienden en particular en la zona de las paredes frontales de la banda cobertora.
  7. 7. Segmento de corona de paletas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las segundas nervaduras de refuerzo estan dispuestas decaladas respecto a las zonas de conexion de paletas y banda cobertora.
  8. 8. Procedimiento para la fabricacion de un segmento de corona de paletas (1, 20) para una turbomaquina segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se prepara un molde para la fabricacion tecnica en colada, que presenta las cavidades para al menos una banda cobertora, que se extiende a lo largo de un segmento circular, y para al menos tres paletas, que estan conectadas con las cavidades de la banda cobertura y se extienden respectivamente radialmente desde la cavidad de la banda cobertora y estan provistas para la configuracion al menos de un canal hueco con un elemento de nucleo, en donde el molde esta configurado de modo que en las aberturas de salida de los canales de las paletas se forman respectivamente primeras nervaduras de refuerzo que rodean la abertura y que discurren axialmente, asf como respectivamente al menos una segunda nervadura de refuerzo al menos entre las primeras nervaduras de refuerzo, con las etapas:
    - vertido de las cavidades con un material que es apropiado para una solidificacion dirigida; y
    - solidificacion dirigida de las mismas.
  9. 9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el molde se inserta un cristal de semilla antes de la colada.
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