ES2869338T3 - Anillo de refuerzo de una paleta para una turbomaquinaria - Google Patents

Anillo de refuerzo de una paleta para una turbomaquinaria Download PDF

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Abstract

Rejilla de paletas para una turbomaquinaria, en particular para una turbina de gas, que tiene una serie de primeras estructuras de paletas (120), cada una de las cuales tiene al menos una primera paleta (100; 100, 110) y un primer anillo de refuerzo (10) que se extiende con una primera extensión (T1) en la dirección circunferencial y/o axial, al menos un número de estructuras de paletas adicionales (220), cada una de las cuales tiene al menos una paleta adicional (200; 200, 210) y un anillo de refuerzo adicional (20) que se extiende con una extensión adicional (T2) en la misma dirección, en donde la extensión adicional diferente de esta primera extensión, en donde la primera estructura de paletas y al menos una estructura de paletas adicional se distribuyen cíclicamente sobre la circunferencia, en donde todas las estructuras de paletas tienen el mismo número de paletas, en particular, exactamente una paleta, caracterizada porque los anillos de refuerzo (20) de al menos una estructura de paletas (220) tienen al menos un rebaje (21) y los anillos de refuerzo (10) de al menos otra estructura de paletas (120) no tienen ningún rebaje, y tienen un número, una disposición y/o una forma de rebajes diferentes.

Description

DESCRIPCIÓN
Anillo de refuerzo de una paleta para una turbomaquinaria
La presente invención se refiere a una rejilla de paletas, en particular una rejilla de paletas guía y de palas del rotor, para una turbomaquinaria, en particular una turbina de gas, y a una turbomaquinaria que tiene al menos una de estas rejillas de paletas.
Las rejillas de paletas conocidas están compuestas por una pluralidad de estructuras de paletas, cada una de las cuales tiene una o más paletas. Se sabe que para aumentar la estabilidad de dicha rejilla de paletas y/o para guiar un fluido de trabajo, se colocan anillos de refuerzo en las puntas de las paletas, radialmente hacia afuera en el caso de las palas del rotor y radialmente hacia adentro en el caso de las paletas guía, en donde las estructuras de paletas adyacentes a los anillos de refuerzo entran en contacto entre sí de manera arriostrada.
En particular, si se pierde la tensión del anillo de refuerzo, por ejemplo, después de un largo período de funcionamiento o como resultado de una avería, las paletas pueden volverse aeroelásticamente inestables y flamear, lo que puede conducir a una fractura por fatiga de las paletas.
De la patente del Reino Unido núm. GB 252.701 B1, se conoce la colocación alternativamente de primeras y segundas estructuras de paletas con anillos de refuerzo, en donde las paletas de las estructuras de paletas adyacentes tienen diferentes perfiles de paleta y los anillos de refuerzo de las estructuras de paletas adyacentes tienen diferentes grosores de pared radial, de modo que las estructuras de paletas adyacentes tienen diferentes frecuencias naturales. Sin embargo, para representar mayores diferencias de frecuencia en este caso, los grosores de las paredes radiales tendrían que variar considerablemente. Pero esto llevaría a una superficie de cubierta muy variable del conjunto del anillo de refuerzo en la dirección radial, lo que puede ser desventajoso desde el punto de vista dinámico y de flujo.
De la patente europea núm. EP1881163A1 se conoce una rejilla de paletas, en la que se disponen alternativamente estructuras de paletas con una paleta individual y estructuras de paletas con dos o tres paletas soldadas entre sí. De la patente de los Estados Unidos núm. US2006/177314 se conoce una rejilla de paletas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar una rejilla de paletas mejorada.
Para lograr este objetivo se mejoran las características de una rejilla de paletas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. La reivindicación 6 proporciona una turbomaquinaria con al menos una de estas rejillas de paletas bajo protección, y las reivindicaciones dependientes se refieren a otras mejoras ventajosas.
Una rejilla de paletas de acuerdo con la presente invención comprende un número de primeras estructuras de paletas. El número puede ser uno o más, y en una mejora preferida es par o impar. Cada una de las primeras estructuras de paletas comprende una o más paletas y un primer anillo de refuerzo, que en una mejora preferida está conectado de forma fija a las paletas, en particular integrado a ellas. Del mismo modo, el anillo de refuerzo también puede estar conectado de forma desmontable a las paletas. En el lado radialmente opuesto al anillo de refuerzo, la(s) paleta(s) tiene(n) preferentemente una plataforma de paletas que, en una mejora preferida, está conectada de forma fija a las paletas, en particular está integrada a ellas. Una estructura de paletas en el sentido de la presente invención está definida, por tanto, en particular por un anillo de refuerzo que está conectado a la(s) paleta(s) de la estructura de paletas.
Cada uno de los anillos de refuerzo de las primeras estructuras de paletas tiene una extensión en dirección circunferencial y axial, preferentemente estos primeros anillos de refuerzo son, al menos sustancialmente, anulares.
La rejilla de paletas comprende al menos un número de estructuras de paletas adicionales. Este número también puede ser uno o más y, en una mejora preferida, es par o impar. Cada una de las estructuras de paletas adicionales comprende una o más paletas adicionales y un anillo de refuerzo adicional que, en una mejora preferida, está conectado de forma fija a las paletas, en particular está integrado a ellas. Del mismo modo, el anillo de refuerzo también puede estar conectado de forma desmontable a las paletas. En el lado radialmente opuesto al anillo de refuerzo, la(s) paleta(s) tiene(n) preferentemente una plataforma de paletas que, en una mejora preferida, está conectada de forma fija a las paletas, en particular está integrada a ellas. Otra estructura de paletas se corresponde preferentemente con una primera estructura de paletas, salvo las diferencias que se explican a continuación.
De acuerdo con la invención, la extensión de los anillos de refuerzo adicionales en la dirección circunferencial y/o axial es diferente de la extensión de los primeros anillos de refuerzo en esta dirección. Los anillos de refuerzo adicionales, que preferentemente son también, al menos sustancialmente, anulares, pueden ser por tanto más largos o más corto, en particular en la dirección circunferencial, que los primeros anillos de refuerzo y en particular tienen diferentes voladizos en la dirección circunferencial. Adicional o alternativamente, los anillos de refuerzo adicionales pueden ser más largos o más cortos en la dirección axial que los primeros anillos de refuerzo y, en particular, pueden sobresalir o estar retraídos en uno o ambos lados más allá de los bordes de los primeros anillos de refuerzo en la dirección axial.
De este modo, preferentemente con una superficie de cubierta del conjunto de anillos de refuerzo -al menos sustancialmente- homogénea, se pueden representar las diferentes frecuencias naturales de la primera estructura de paletas y de las estructuras de paletas adicionales y, de este modo, se puede reducir la vibración aerodinámica, en particular en caso de pérdida de arriostramiento del anillo de refuerzo. En una mejora preferida, además la extensión en la dirección radial de los primeros anillos de refuerzo y de las estructuras adicionales de las paletas puede ser diferente, en donde se proporciona preferentemente una superficie de cubierta exterior radialmente constante o anular en el caso de una rejilla de palas del rotor y una superficie de cubierta interior radialmente constante o anular en el caso de una rejilla de paletas guía.
Además de otra estructura de paletas, cuyos anillos de refuerzo adicionales tienen extensiones diferentes de los anillos de refuerzo de las primeras estructuras de paletas, la rejilla de paletas puede tener uno o más números de otras estructuras de paletas adicionales, cuyos otras anillos de refuerzo adicionales tienen una extensión en la dirección circunferencial, axial y/o radial diferente de la extensión correspondiente de las otras estructuras de paletas, en particular las primeras estructuras de paletas y las estructuras de paletas adicionales. Por lo tanto, en particular, se puede proporcionar un número de primeras estructuras de paletas, un número igual o diferente de segundas estructuras de paletas adicionales y, preferentemente, un número igual o diferente de terceras estructuras de paletas adicionales. Además, se puede proporcionar un número igual o diferente de otras cuartas estructuras de paletas adicionales, un número igual o diferente de otras quintas estructuras de paletas adicionales, y así sucesivamente. A este respecto, las extensiones de los anillos de refuerzo de las estructuras de paletas adicionales o de las otras estructuras de paletas adicionales pueden ser diferentes entre sí y/o de las extensiones de los primeros anillos de refuerzo en las direcciones circunferencial, axial y/o radial. Por ejemplo, los anillos de refuerzo adicionales de las segundas estructuras de paletas adicionales pueden ser más cortas o más largas en dirección circunferencial que los primeros anillos de refuerzo. Los anillos de refuerzo adicionales de las otras terceras estructuras de paletas adicionales, pueden ser más largos o más cortos en la dirección circunferencial que los anillos de refuerzo adicionales y preferentemente también que los primeros anillos de refuerzo. Adicional o alternativamente, los anillos de refuerzo adicionales de las segundas estructuras de paletas adicionales pueden ser más anchas o más estrechas en la dirección axial que los primeros anillos de refuerzo. Los anillos de refuerzo adicionales de otras estructuras de paletas adicionales pueden ser más anchos o más estrechos en la dirección axial que los anillos de refuerzo adicionales y, preferentemente, también que los primeros anillos de refuerzo.
En una modalidad preferida, una extensión adicional, es decir, una extensión de un anillo de refuerzo de una estructura de paletas adicional u otra estructura de paletas adicional en la dirección circunferencial, axial y/o radial es al menos 10 %, preferentemente al menos 15 % y preferentemente al menos 20 % mayor o menor que la primera extensión de un anillo de refuerzo de una primera estructura de paletas y/o de otra extensión adicional de un anillo de refuerzo de otra estructura de paletas adicional. En particular, las extensiones de los anillos de refuerzo adyacentes pueden ser opuestas en la dirección circunferencial y axial, es decir, los anillos de refuerzo más anchos en la dirección axial pueden ser adyacentes a los anillos de refuerzo axialmente más estrechos, que sin embargo son más largos en la dirección circunferencial, de modo que las diferencias de masa se reducen, pero debido a los diferentes momentos de inercia sobre los ejes de las paletas las frecuencias naturales se desajustan. En una modalidad preferida, los anillos de refuerzo de una o más, preferentemente todas, las estructuras de paletas son simétricos con respecto a las paletas de esa estructura de paletas en la dirección circunferencial y/o axial. Por simetría en la dirección axial se entiende, en particular, que los anillos de refuerzo o las paletas sobresalen en la misma medida en ambos lados en la dirección axial, y por simetría en la dirección circunferencial se entiende, correspondientemente, que los anillos de refuerzo o las paletas sobresalen en la misma medida en la dirección circunferencial. Del mismo modo, los anillos de refuerzo de una o más, preferentemente todas, las estructuras de paletas pueden ser también asimétricos con respecto a las paletas de dicha estructura de paletas en la dirección circunferencial y/o axial. En particular, los anillos de refuerzo pueden estar desplazados de las paletas de la estructura de paletas en la dirección circunferencial y/o axial, o pueden sobresalir o colgar en cantidades diferentes en los dos lados de la estructura de paletas.
De acuerdo con la invención, todas las estructuras de paletas tienen el mismo número de paletas, en una mejora preferida exactamente una paleta cada una. Como se ha explicado anteriormente, otra estructura de paletas (adicional) se corresponde preferentemente con la primera estructura de paletas, excepto en lo que respecta a la extensión de los anillos de refuerzo.
La primera y una, en particular todas las estructuras de paletas adicionales, se distribuyen cíclicamente sobre la circunferencia. Si la rejilla de paletas tiene un número de primeras estructuras de paletas y solo un número de estructuras de paletas adicionales, éstas se distribuyen alternativamente en la circunferencia. Si la rejilla de paletas tiene un número de primeras estructuras de paletas, un número de segundas estructuras de paletas y un número de terceras estructuras de paletas, éstas pueden estar distribuidas cíclicamente sobre la circunferencia en un orden aproximado de primera estructura de paletas - segunda estructura de paletas - tercera estructura de paletas - primera estructura de paletas o en el orden de primera estructura de paletas - segunda estructura de paletas - primera estructura de paletas - tercera estructura de paletas - primera estructura de paletas.
En una modalidad preferida, los anillos de refuerzo de las estructuras de paletas adyacentes tienen superficies de contacto complementarias, en particular no planas, opuestas entre sí. Las superficies de contacto pueden ser, en particular, onduladas.
En tanto las superficies de contacto de los diferentes anillos de refuerzo tienen diferente forma, se puede garantizar una distribución predeterminada de las estructuras de paletas durante el montaje.
Los anillos de refuerzo de al menos una estructura de paletas tienen uno o más rebajes o bolsas, en donde los anillos de refuerzo de al menos otra estructura de paletas no tienen ningún rebaje, o tienen un número, una disposición y/o una forma diferente de rebajos. De este modo, las frecuencias naturales de las estructuras de paletas se pueden desintonizar adicionalmente.
Otras características y ventajas se desprenden de las reivindicaciones dependientes y de las modalidades. Para ello se muestra, parcialmente esquematizado:
En la figura 1: un desarrollo de una porción de una rejilla de paletas de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y
En la figura 2: un desarrollo de una porción de una rejilla de paletas de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.
La figura 1 muestra un desarrollo de una porción de la rejilla de palas del rotor de una turbina de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La rejilla de palas del rotor se compone alternativamente de una primera estructura de paletas 120 y de una segunda estructura de paletas 220. Cada estructura de paletas tiene una plataforma de paletas, una pala del rotor 100 o 200 integrada a ella, y un anillo de refuerzo 10 o 20 integrado a ella. Los anillos de refuerzo adyacentes 10, 20 tienen superficies de contacto complementarias opuestas en un patrón ondulado.
Los primeros anillos de refuerzo 10 de las primeras estructuras de paletas 120, cada uno de los cuales tiene una paleta 100, tienen una primera extensión T1 en la dirección circunferencial (vertical en la figura 1) y están dispuestos simétricamente con respecto a las paletas 100 en las direcciones circunferencial y axial (horizontal en la figura 1), es decir, tienen el mismo voladizo o proyección negativa o desplazamiento hacia atrás.
Los segundos anillos de refuerzo 20 de las segundas estructuras de paletas 220 también están dispuestos simétricamente con respecto a las paletas 200 en las direcciones circunferencial y axial, y tienen una segunda extensión T2 en la dirección circunferencial que es menor que la extensión T1. Sin embargo, en las direcciones axial y radial, cada uno los anillos de refuerzo 10, 20 tiene la misma extensión, de modo que, por un lado, se consigue una superficie homogénea y anular del conjunto de anillos de refuerzo y, por otro, una desintonización de las frecuencias naturales de las estructuras de paletas adyacentes 120, 220.
La figura 2 muestra una representación que se corresponde con la figura 1 de un desarrollo de una porción de una rejilla de palas del rotor de una turbina de acuerdo con otra modalidad de la presente invención. Los elementos correspondientes a la modalidad descrita anteriormente de acuerdo con la figura 1 se designan con signos de referencia idénticos, de modo que a continuación solo se discutirán las diferencias con respecto a esta modalidad.
En la modalidad de acuerdo con la figura 2, cada estructura de paletas 120, 220 comprende dos palas del rotor 100 y 110 y 200 y 210, respectivamente, que están integradas en una plataforma común y están conectadas a un anillo de refuerzo 10 común y otro anillo de refuerzo 20, respectivamente. De nuevo, los anillos de refuerzo 10, 20 tienen diferentes extensiones T1, T2 en la dirección circunferencial.
Los anillos de refuerzo 20 también tienen rebajes o bolsas 21 que alteran aún más el peso y el momento de inercia de las estructuras de paletas 220, desintonizando así sus frecuencias naturales, mientras que las estructuras de paletas 120 no tienen tales rebajes.
Lista de referencia de los dibujos
10 primer anillo de refuerzo
20 segundo anillo de refuerzo (adicional)
21 rebajo (bolsa)
100, 110 primeras palas del rotor
200, 210 segundas palas del rotor (adicionales)
120 primera estructura de paletas (plataforma)
220 segunda estructura de paletas (adicional) (plataforma)

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Rejilla de paletas para una turbomaquinaria, en particular para una turbina de gas, que tiene una serie de primeras estructuras de paletas (120), cada una de las cuales tiene al menos una primera paleta (100; 100, 110) y un primer anillo de refuerzo (10) que se extiende con una primera extensión (T1) en la dirección circunferencial y/o axial, al menos un número de estructuras de paletas adicionales (220), cada una de las cuales tiene al menos una paleta adicional (200; 200, 210) y un anillo de refuerzo adicional (20) que se extiende con una extensión adicional (T2) en la misma dirección, en donde la extensión adicional diferente de esta primera extensión, en donde la primera estructura de paletas y al menos una estructura de paletas adicional se distribuyen cíclicamente sobre la circunferencia, en donde todas las estructuras de paletas tienen el mismo número de paletas, en particular, exactamente una paleta, caracterizada porque los anillos de refuerzo (20) de al menos una estructura de paletas (220) tienen al menos un rebaje (21) y los anillos de refuerzo (10) de al menos otra estructura de paletas (120) no tienen ningún rebaje, y tienen un número, una disposición y/o una forma de rebajes diferentes.
2. Rejilla de paletas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los primeros anillos de refuerzo tienen una primera extensión en dirección radial y los anillos de refuerzo de al menos otra estructura de paletas tienen otra extensión en dirección radial, que es igual o diferente a esta primera extensión.
3. Rejilla de paletas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque una extensión adicional es mayor o menor que la primera extensión y/o la otra extensión adicional en al menos 10 %, en particular en al menos 15 % y preferentemente en al menos 20 %.
4. Rejilla de paletas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los anillos de refuerzo de al menos una estructura de paletas son simétricos o asimétricos con respecto a las paletas de dicha estructura de paletas en la dirección circunferencial y/o axial.
5. Rejilla de paletas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los anillos de refuerzo de las estructuras de paletas adyacentes tienen superficies de contacto complementarias, en particular no planas, opuestas entre sí.
6. Turbomaquinaria, en particular turbina de gas, con al menos una rejilla de paletas de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.
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