ES2887235T3 - Alabe móvil de turbina de gas - Google Patents

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Lars Schellhorn
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Abstract

Álabe móvil para una etapa de turbina o de compresor de una turbina de gas con una hoja de álabe (10) y una banda de cubierta (20) radialmente exterior, en donde, para al menos un punto de contorno (PK) de un contorno exterior de una sección transversal de perfil (P) de la hoja de álabe en un límite de conducto de gas radialmente exterior, un grosor de pared de la banda de cubierta en al menos un punto de borde (PR) de la banda de cubierta, cuya línea recta de unión (V) con el punto de contorno forma un ángulo (σ) de 15° como máximo con una tangente (N), la cual en el punto de contorno es perpendicular al contorno exterior de la sección transversal de perfil, es menor que un grosor de la banda de cubierta en el punto de contorno, de modo que el grosor de pared de la banda de cubierta disminuye de manera estrictamente monótona a lo largo de la línea recta de unión, de manera que al menos un lado frontal de la banda de cubierta presenta en la dirección circunferencial al menos una leva con un punto de leva superior (O) en la dirección circunferencial y al menos una ranura con un punto de leva inferior (U) en la dirección circunferencial, caracterizado porque el grosor de pared en al menos un punto de borde entre la leva y la ranura y en al menos un punto de borde sobre un lado de la leva apartado de la ranura y en al menos un punto de borde sobre un lado de la ranura apartado de la leva es menor que el grosor de pared en el punto de leva y/o el punto de ranura.

Description

DESCRIPCIÓN
Álabe móvil de turbina de gas
La presente invención se refiere a un álabe móvil para una etapa de turbina o de compresor de una turbina de gas, una etapa de turbina o de compresor para una turbina de gas o bien una turbina de gas, en particular una turbina de gas de un motor de aeronave, con el álabe móvil y un método para fabricar el álabe móvil.
Se conocen ejemplos de los álabes de turbina de gas por los documentos EP1559870A2, EP1507064A2, WO2017018981A1 y US20170183971A1.
Un objeto de una modalidad de la presente invención es mejorar una turbina de gas.
Este objeto se consigue mediante un álabe móvil con las características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones 7 a 9 proporcionan protección a una etapa de una turbina o de un compresor para una turbina de gas o bien a una turbina de gas que tenga uno o varios álabes móviles descritos en el presente documento o a un método de fabricación de un álabe móvil descrito en este documento. Las modalidades ventajosas de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.
De acuerdo con la presente invención, un álabe móvil para una etapa de turbina o de compresor de una turbina de gas, en particular uno o varios álabes móviles de una o varias etapas de turbina y/o de compresor para una turbina de gas, en concreto una turbina de gas de motor de aeronave, presentan (cada uno) una hoja de álabe y una banda de cubierta radialmente exterior.
La hoja de álabe está prevista, en particular está instalada o utilizada para desviar el flujo y/o presenta, en particular con este fin, un borde delantero y un borde trasero, así como un lado de presión y un lado de aspiración que conectan el borde delantero y el trasero. En una modalidad el álabe móvil está hueco, lo que resulta ventajoso para que se pueda ahorrar peso.
En una modalidad, el álabe móvil se dispone en un rotor de la (etapa de turbina o de compresor de la) turbina de gas de manera desmontable sin destruirse, en particular encajándose o por fricción o está previsto para ello o en particular instalado o utilizado para ello. En otra modalidad, el álabe móvil se dispone de manera desmontable sin destruirse en un rotor de la (etapa de turbina o de compresor de la) turbina de gas, en particular está diseñado de forma integral con este o está conectado materialmente a este.
En una modalidad, una dirección axial es paralela, en particular coaxial, a un eje de rotación o a un eje (principal) de la máquina de la (etapa de turbina o de compresor de la) turbina de gas, una dirección circunferencial es paralela a una dirección de rotación alrededor de este eje, y una dirección radial es perpendicular a la dirección axial y a la circunferencial.
En consecuencia, en una realización la banda de cubierta radialmente exterior está diseñada como una banda de cubierta exterior y/o de forma integral con la hoja de álabe o unida materialmente a esta.
De acuerdo con una modalidad de la presente invención
para uno o más puntos de contorno de un contorno exterior de una sección transversal de perfil de la hoja de álabe en un límite radialmente exterior del conducto de gas (de la banda de cubierta o a través de esta),
en particular para al menos el 50 %, en una modalidad al menos el 75 %, en particular al menos el 90 %, en una modalidad al menos el 99 %, (de todos los puntos de contorno) del contorno exterior de esta sección transversal de perfil (en cada caso),
se proporciona un grosor de la pared, en particular radial, de la banda de cubierta en particular en uno o varios puntos de borde de la banda de cubierta,
cuya(s) línea(s) recta(s) de unión con el (respectivo) punto de contorno (en cada caso) forma(n) un ángulo, que mide como máximo 15°, con una línea tangente, que en este punto de contorno es perpendicular al contorno exterior de esta sección transversal del perfil y, en una modalidad pasa a través de un punto de borde de la banda de cubierta, en particular para al menos el 50 %, en una modalidad al menos el 75 %, en particular al menos el 90 %, en una modalidad al menos el 99 % de todos los puntos de borde de la banda de cubierta,
cuyas líneas rectas de unión con el (respectivo) punto de contorno forman un ángulo, que mide como máximo 15° y que es más pequeño que un grosor de pared de la banda de cubierta en el (respectivo) punto de contorno, con la tangente que en este punto de contorno es perpendicular al contorno exterior de esta sección transversal de perfil y en una modalidad pasa a través de un punto de borde de la banda de cubierta, de modo que en una modalidad este o estos puntos de borde son cada uno puntos (de borde del lado del conducto de gas) (de un borde) de un lado del conducto de gas o bien de la superficie del lado del conducto de gas u orientada a este de la banda de cubierta.
En una modalidad, para uno o varios puntos de contorno P k, i del contorno exterior de la sección transversal de perfil de la hoja de álabe en el límite radialmente exterior del conducto de gas, se aplica en cada caso que el grosor de la pared t(PR, y, en particular radial, de la banda de cubierta en uno o varios puntos de borde P r, y de la superficie orientada al conducto de gas o radialmente interior de la banda de cubierta es menor que el grosor de pared t(P«, i) de la banda de cubierta en este punto de contorno P k, i, de modo que estos respectivos puntos de borde P r, y se encuentran en un cono con la tangente que pasa a través de un punto de borde al contorno exterior de la sección transversal de perfil en el punto de contorno P k, i como eje del cono y con la mitad del ángulo de apertura o del cono, que mide como máximo 15°, de manera que esto se aplica en una modalidad para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de borde P r, y en el interior de este cono sobre esta tangente en el punto de contorno respectivo P k, i y/o para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de contorno P k, i del contorno exterior de la sección transversal del perfil y/o los puntos de borde aquí descritos son puntos (de borde laterales del conducto de gas) (de un borde) de un lado del conducto de gas o bien de la superficie del lado del conducto de gas u orientada a este de la banda de cubierta.
De este modo, el peso de la banda de cubierta se puede reducir logrando de forma ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico. Por otro lado, en una modalidad se puede reducir el peso de la estructura de soporte, en particular de la hoja y/o de la raíz de álabe o de un disco y/o de un blindaje o una denominada contención para la protección en caso de fallo del álabe móvil y así reducir (aún más) el peso de la (etapa de turbina o de compresor de la) turbina de gas logrando de forma ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico.
En una modalidad, el grosor de la pared en el (respectivo) punto de borde P r, y mide como máximo el 70 % y/o al menos el 5 % del grosor de la banda de cubierta en el (respectivo) punto de contorno P k, i (0,05-t(PK,¡) < t(PR,y) < 0,70t(P K, i)), en particular por consiguiente para uno o varios puntos de contorno P k, i, en una modalidad para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de contorno P k, i del contorno exterior de la sección transversal de perfil y/o para uno o varios puntos de borde P r, y, en una modalidad para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de borde PR, iy en el interior del cono sobre la tangente al contorno exterior de la sección transversal del perfil en el punto de contorno respectivo P k, i con la mitad del ángulo de apertura o del cono, que mide 15° como máximo.
Así, en una modalidad se puede reducir el peso de la banda de cubierta logrando de forma particularmente ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico. A su vez, en una modalidad se puede reducir de forma particularmente ventajosa el peso de la estructura de soporte, en particular de la hoja y/o de la raíz de álabe o de un disco y/o de un blindaje (contención) para la protección en caso de fallo del álabe móvil y así reducir (aún más) el peso de la (etapa de turbina o de compresor de la) turbina de gas, logrando de forma ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico.
De acuerdo con la invención, el grosor de la pared de la banda de cubierta a lo largo de la (respectiva) línea recta de unión disminuye de manera estrictamente monótona desde el (respectivo) punto de borde PR, iy hasta el (respectivo) punto de contorno P k, i, por consiguiente en particular a lo largo de la (respectiva) línea recta de unión de uno o varios puntos de contorno P k, i, en una modalidad para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de contorno P k, i del contorno exterior de la sección transversal del perfil y/o de uno o varios puntos de borde P r, y en una modalidad para al menos el 50 %, en particular al menos el 75 %, en una modalidad al menos el 90 %, en particular al menos el 99 %, de todos los puntos de borde P r, y en el interior del cono sobre la tangente en el contorno exterior de la sección transversal del perfil en el respectivo punto de contorno P k, i con la mitad del ángulo de apertura o del cono, que como máximo mide 15°. Así, en una modalidad se puede reducir el peso de la banda de cubierta logrando de forma particularmente ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico. Por otro lado, en una modalidad se puede reducir de manera particularmente ventajosa el peso de la estructura de soporte, en particular de la hoja de álabe y/o de un blindaje (contención) para la protección en caso de fallo de la hoja de álabe y así reducir (aún más) el peso de la (etapa de turbina o de compresión de la) turbina de gas logrando de forma ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico.
De acuerdo con la modalidad de la presente invención, el álabe móvil se fabrica o está fabricado por completo o parcialmente, en particular su banda de cubierta y/o su hoja de álabe, con ayuda de un método de fabricación adicional o generativo, en particular la fusión selectiva por láser.
De este modo, en una modalidad se puede crear de manera particularmente ventajosa un álabe móvil de acuerdo con la invención, en particular un grosor de pared de la banda de cubierta de acuerdo con la invención.
Una o ambas caras frontales de la banda de cubierta presentan (respectivamente) en dirección circunferencial al menos una leva con un punto superior de leva en dirección circunferencial y al menos una ranura con un punto inferior de ranura en dirección circunferencial, en particular por consiguiente la banda de cubierta puede tener sobre sí las denominadas muescas en Z o un contorneado (de pared frontal) con forma de Z.
De esta manera, en una modalidad, las bandas de cubierta de las hojas de álabe adyacentes pueden apoyarse de forma ventajosa entre sí en la dirección circunferencial.
El grosor de la pared es menor, particularmente en uno o varios puntos de borde (del lado frontal) entre la leva y la ranura y en particular en uno o varios puntos de borde (del lado frontal) en un lado de la leva apartado de la ranura y en particular en uno o varios puntos de borde (del lado frontal) en un lado de la ranura apartado de la leva (respectivamente), que en este punto de leva y/o de ranura. Así, en una modalidad, el grosor de pared de la banda de cubierta es mayor en las mismas muescas en Z que en al menos una zona adyacente a estas, en particular axialmente, del borde de la banda de cubierta o del lado frontal correspondiente.
Esto permite realizar superficies de contacto ventajosas de álabes adyacentes entre sí en la dirección circunferencial y/o aumentar de forma ventajosa una resistencia a la flexión de la banda de cubierta.
En una modalidad, la banda de cubierta presenta uno o varios huecos con forma de bolsa en un lado apartado del conducto de gas, en un desarrollo adicional.
Así, en una modalidad se puede reducir el peso de la banda de cubierta logrando de forma particularmente ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico. Por otro lado, en una modalidad se puede reducir de manera particularmente ventajosa el peso de la estructura de soporte, en particular de la hoja de álabe y/o de un blindaje (contención) para la protección en caso de fallo de la hoja de álabe y así reducir (aún más) el peso de la (etapa de turbina o de compresión de la) turbina de gas logrando de forma ventajosa un rendimiento funcional estructural-mecánico, aerodinámico y/o térmico.
En una modalidad se disponen una o varias acanaladuras de sellado en un lado de la banda de cubierta apartado del conducto de gas, en un desarrollo adicional que se extiende en la dirección circunferencial y/o radialmente. En una modalidad estas pueden estar diseñadas de manera integral con la banda de cubierta o unidas materialmente a la misma. Sin embargo, en una modalidad no representan ninguna parte de la banda de cubierta en relación con el grosor de pared de la banda de cubierta. En otras palabras, en una modalidad dichas acanaladuras de sellado se ocultan (virtualmente) al medir o definir el grosor de pared de la banda de cubierta, o el grosor de pared de la banda de cubierta en una zona de una acanaladura de sellado se considera el grosor de pared para una superficie de la banda de cubierta apartada (virtualmente) del conducto de gas, que conecta de manera lineal entre sí ambos bordes de las acanaladuras de sellado del lado de la banda de cubierta.
Otros desarrollos ventajosos de la presente invención se muestran en las reivindicaciones dependientes y en la siguiente descripción de las modalidades preferidas. Para ello se muestra, parcialmente esquematizado:
La Figura 1 una parte de un álabe móvil de acuerdo con una modalidad de la presente invención en una vista en perspectiva;
La Figura 2 una vista superior del álabe móvil desde el exterior radial, y
La Figura 3 una vista en sección del álabe móvil desde el interior radial.
La Figura 1 muestra una parte de un álabe móvil de acuerdo con una modalidad de la presente invención en vista en perspectiva con una parte de una hoja de álabe 10 y una banda de cubierta 20 radialmente exterior (en la parte superior de la Figura 1); la Figura 2 muestra una vista superior del álabe móvil o de su banda de cubierta 20 desde el exterior radial en la que se pueden observar los huecos con forma de bolsa 21 y dos acanaladuras de sellado 22.
La Figura 3 muestra una vista en sección del álabe móvil desde el interior radial, es decir, una sección a través de su hoja de álabe 10 hueca.
Se puede observar que ambos lados frontales de la banda de cubierta en la dirección circunferencial, es decir, el lado frontal izquierdo de la Figura 3 y el lado frontal derecho de la Figura 3, presentan cada uno una leva con un punto de leva superior O en la dirección circunferencial y una ranura con un punto de ranura inferior U en la dirección circunferencial.
El grosor de pared de la banda de cubierta 20 en las levas y las ranuras es en cada caso algo mayor que en las zonas adyacentes axialmente a las mismas (verticalmente en la Figura 3), de modo que en particular el grosor de pared de al menos un punto de borde entre la leva y la ranura y/o de al menos un punto de borde de un lado de la leva apartado de la ranura (a la izquierda: en la parte inferior; a la derecha: en la parte superior de la Figura 3) y/o de al menos un punto de borde de un lado de la ranura apartado de la leva (a la izquierda: en la parte superior; a la derecha: en la parte inferior de la Figura 3) es menor que el grosor de pared del punto de leva y del punto de ranura respectivos. A modo de ejemplo, en la Figura 3 para un punto de contorno P k de un contorno exterior de una sección transversal de perfil P de la hoja de álabe 10 en un límite de conducto de gas radialmente exterior de la banda de cubierta, se dibuja la tangente N en el punto de contorno P k , que es perpendicular al contorno exterior P y que pasa a través de un punto de borde de la superficie de la banda de cubierta 20 del lado del conducto de gas, que se puede ver en la Figura 3.
La C indica un cono de tangente alrededor de esta tangente N, que comprende la mitad de un ángulo de cono o de apertura I de 15°.
Para al menos el 50 % de todos los puntos de borde de la banda de cubierta 20 o de su superficie del lado del conducto de gas en el interior de este cono de tangente C, de los cuales se muestran como ejemplos en la Figura 3 un punto de borde P r y su línea recta de unión V con el punto de contorno P k , se aplica que un grosor de pared de la banda de cubierta 20 disminuye a lo largo de la línea recta de unión respectiva con el punto de contorno P k y/o en el propio punto de borde mide entre el 5 % y el 70 % de un grosor de pared de la banda de cubierta 20 en el punto de contorno P k .
En consecuencia, el ángulo a, que incluye la línea recta de unión V de dicho punto de borde P r con la tangente N, es en cada caso menor o igual a la mitad del ángulo de cono o de apertura I de 15°.
Los gradientes o la relación de grosor de pared explicados anteriormente a modo de ejemplo para un punto de contorno P k del contorno exterior P dibujado en la Figura 3 se aplican al menos para el 50 % de todos los puntos de contorno del contorno exterior P.
Aunque en la descripción anterior se han explicado modalidades ilustrativas, cabe señalar que son posibles diversas variaciones. Además, hay que tener en cuenta que las modalidades ilustrativas son solo ejemplos y no pretenden limitar en absoluto el ámbito de protección, las aplicaciones y la estructura. Más bien, la descripción anterior proporciona al experto una guía para la implementación de al menos una modalidad ejemplar, mediante la cual se pueden realizar diversas modificaciones, en particular con respecto a la función y la disposición de los componentes descritos, sin abandonar el ámbito de protección que resulta de las reivindicaciones y estas combinaciones equivalentes de características.
Lista de referencia de los dibujos
10 hoja de álabe
20 banda de cubierta
21 hueco
22 acanaladura de sellado
C cono de tangente
N tangente
0 (punto de) leva (superior)
P contorno exterior de una sección transversal de perfil
P k punto de contorno
P r punto de borde
R borde
U (punto de) ranura (inferior)
V línea recta de unión
1 mitad del ángulo de cono
a ángulo entre la tangente N y la línea recta de unión V

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Álabe móvil para una etapa de turbina o de compresor de una turbina de gas con una hoja de álabe (10) y una banda de cubierta (20) radialmente exterior, en donde, para al menos un punto de contorno (P k ) de un contorno exterior de una sección transversal de perfil (P) de la hoja de álabe en un límite de conducto de gas radialmente exterior, un grosor de pared de la banda de cubierta en al menos un punto de borde (P r ) de la banda de cubierta, cuya línea recta de unión (V) con el punto de contorno forma un ángulo (a) de 15° como máximo con una tangente (N), la cual en el punto de contorno es perpendicular al contorno exterior de la sección transversal de perfil, es menor que un grosor de la banda de cubierta en el punto de contorno, de modo que el grosor de pared de la banda de cubierta disminuye de manera estrictamente monótona a lo largo de la línea recta de unión, de manera que al menos un lado frontal de la banda de cubierta presenta en la dirección circunferencial al menos una leva con un punto de leva superior (O) en la dirección circunferencial y al menos una ranura con un punto de leva inferior (U) en la dirección circunferencial, caracterizado porque el grosor de pared en al menos un punto de borde entre la leva y la ranura y en al menos un punto de borde sobre un lado de la leva apartado de la ranura y en al menos un punto de borde sobre un lado de la ranura apartado de la leva es menor que el grosor de pared en el punto de leva y/o el punto de ranura.
2. Álabe móvil de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque el grosor de pared en el punto de borde mide como máximo el 70 % y/o al menos el 5 % del grosor de pared de la banda de cubierta en el punto de contorno.
3. Álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para uno o varios puntos de contorno del contorno exterior de la sección transversal de perfil, en particular al menos el 50 % y/o al menos el 75 % de los puntos de contorno del contorno exterior de la sección transversal de perfil, en cada caso un grosor de pared de la banda de cubierta en uno o varios puntos de borde de la banda de cubierta, cuyas líneas rectas de unión con este punto de contorno forman con la tangente, la cual en este punto de contorno es perpendicular al contorno exterior de la sección transversal de perfil, en cada caso un ángulo de 15° como máximo, en particular al menos el 50 % de los puntos de borde cuyas líneas rectas de unión con la normal en el respectivo punto de contorno forman en cada caso un ángulo de 15° como máximo, en este punto de contorno es menor que un grosor de pared de la banda de cubierta, en particular en cada caso mide como máximo el 70 % y/o al menos el 5 % del grosor de pared de la banda de cubierta en este punto de contorno y/o en cada caso disminuye a lo largo de las líneas rectas de unión de manera monótona, en particular de manera estrictamente monótona.
4. Álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se produce al menos en parte con la ayuda de un método de fabricación adicional, en particular la fusión selectiva por láser.
5. Álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la banda de cubierta presenta al menos un hueco (21), en particular en un lado apartado del conducto de gas.
6. Álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en un lado de la banda de cubierta apartado del conducto de gas se dispone una acanaladura de sellado (22).
7. Etapa de turbina o de compresor para una turbina de gas con al menos un álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.
8. Turbina de gas, en particular turbina de gas de motor de aeronave, con al menos una etapa de turbina o de compresor de acuerdo con las reivindicaciones anteriores.
9. Método para fabricar un álabe móvil de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores 1-6, caracterizado porque se produce al menos en parte con ayuda de un método de fabricación adicional, en particular la fusión selectiva.
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