ES2927845T3 - Conducto para pieza de estátor para turbomáquina - Google Patents

Conducto para pieza de estátor para turbomáquina Download PDF

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Cyril Bernard Loiseau
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Abstract

Conducto (10) para turbomáquina que comprende una pared (12) que comprende un borde interno (14; 14A, 14B) que tiene en sección un radio de curvatura (R) mayor o igual a 0,5 mm, preferentemente mayor o igual a 1 mm y menor o igual a 5 mm, preferiblemente menor o igual a 4 mm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Conducto para pieza de estátor para turbomáquina
Sector de la técnica
La presente invención se refiere a un conducto para pieza de estátor para turbomáquina, tal como una voluta de salida de bomba o una voluta de entrada de turbina de gas.
Estado de la técnica
En una turbomáquina, unos fluidos deben transportarse a presión entre diferentes elementos de la turbomáquina. Estos fluidos (líquidos o gaseosos) a presión ejercen unas tensiones mecánicas relativamente importantes sobre las paredes de los conductos en los que circulan.
Por otro lado, los diferentes elementos de la turbomáquina pueden estar a unas temperaturas diferentes, de modo que pueden existir unas tensiones térmicas en los diferentes elementos, por ejemplo, en los conductos.
Unos conductos que presentan una sección circular se pueden obtener por unos procedimientos de conformación conocidos, por fundición, por ejemplo.
Unos conductos se pueden fabricar, igualmente, por un procedimiento de fabricación aditiva por fusión láser sobre lecho de polvo. No obstante, la forma circular de la sección del conducto no está adaptada para un procedimiento de fabricación de este tipo, en concreto, debido a la dimensión de los conductos.
También, la forma de la sección del conducto se ha adaptado al procedimiento de fabricación aditiva por fusión láser sobre lecho de polvo, por ejemplo, adoptando una sección que tiene una forma denominada de "gota".
Sin embargo, esta forma de gota puede no resultar satisfactoria para todos los casos de aplicación.
El documento DE10022052 describe una turbina de turbocompresor y el documento EP2740905 describe una turbomáquina con un pico de separación de turbomáquina axial.
Objeto de la invención
La presente invención pretende remediar al menos en parte estos inconvenientes.
A tal efecto, la presente invención se refiere a un conducto para turbomáquina según la reivindicación 1.
Se comprende que la sección de la pared interna del conducto está desprovista de ángulo vivo.
En efecto, durante la circulación del fluido a presión en el conducto, el conducto se deforma y, cuando la sección incluye, sobre la superficie interna de la pared, uno o varios ángulo(s) vivo(s), pueden ocurrir unas concentraciones de tensiones. Estas concentraciones de tensiones pueden conducir a unas solicitaciones demasiado importantes del conducto y, a la larga, a la rotura del conducto. Se comprende que la temperatura del fluido que circula en el conducto puede provocar, igualmente, unas dilataciones térmicas del conducto y, por lo tanto, unas concentraciones de tensiones, en concreto, en el ángulo vivo. También, de manera general, hablaremos de tensiones termomecánicas que experimenta la pared del conducto.
Gracias a la arista interna del conducto desprovista de ángulo vivo y que presenta un radio de curvatura, y no un ángulo vivo, superior o igual a 0,5 mm, preferentemente superior o igual a 1 mm, se reduce la concentración de las tensiones termomecánicas durante la deformación del conducto, de modo que se reducen los riesgos de rotura del conducto. Por otro lado, siendo el radio de curvatura inferior o igual a 5 mm, preferentemente inferior o igual a 4 mm, el conducto se puede realizar por fabricación aditiva por fusión láser sobre lecho de polvo. Se comprende que el radio de curvatura se mide sobre una superficie de la pared que es interna al conducto.
En ciertos modos de realización, la pared comprende una porción adyacente a la arista interna que presenta un espesor y una porción de pared que comprende la arista interna presenta un espesor superior al espesor de la porción adyacente a la arista interna.
Se comprende que la porción de pared que comprende la arista interna es una porción de la pared que presenta el radio de curvatura R. Asimismo, una porción adyacente a la arista interna es una porción de pared que no presenta el radio de curvatura R y contigua a la porción de pared que comprende la arista interna.
El conducto puede presentar, de este modo, una mejor resistencia a las tensiones termomecánicas durante la deformación, presentando al mismo tiempo una pared cuya porción que comprende la arista interna presenta un espesor más importante. De este modo, se puede reducir ventajosamente la masa del conducto limitando el espesor de la pared del conducto en unas porciones de la pared que experimentan menos solicitaciones, por ejemplo, unas porciones de la pared que son adyacentes a la arista.
En ciertos modos de realización, el espesor de la porción de pared que comprende la arista interna es superior o igual a 1,1 veces el espesor de la porción adyacente a la arista interna, preferentemente superior o igual a 1,5 veces el espesor de la porción adyacente a la arista interna.
En ciertos modos de realización, el espesor de la porción de pared que comprende la arista interna es inferior o igual a 3 veces el espesor de la porción adyacente a la arista interna, preferentemente inferior o igual a 2,5 veces el espesor de la porción adyacente a la arista interna.
En ciertos modos de realización, la anchura de pared que comprende la arista interna es inferior o igual a 3,5 veces el espesor de la porción de pared que comprende la arista interna, preferentemente inferior o igual a 3 veces el espesor de la porción de pared que comprende la arista interna.
En ciertos modos de realización, la pared comprende dos porciones adyacentes a la arista interna, dispuestas a ambos lados de la arista interna, incluyendo cada porción una cara interna, siendo las caras internas de las dos porciones adyacentes simétricas con respecto a la arista interna.
El conducto presenta una simetría parcial, al menos al nivel de la arista interna y de las porciones de pared adyacentes a la arista interna, de modo que el flujo del fluido en el conducto genera menos concentración de tensiones termomecánicas que en un conducto que no presenta una simetría, incluso parcial.
En ciertos modos de realización, el conducto comprende dos aristas internas opuestas una a la otra.
De este modo, se puede tener un conducto que presenta una sección más simétrica que una sección en forma de "gota", por ejemplo.
En ciertos modos de realización, el conducto presenta en sección un eje de simetría.
Se comprende que la sección puede presentar sustancialmente una simetría axial. Esta simetría axial de la sección de la pared del conducto permite un reparto de las tensiones más homogéneo y reduce los riesgos de rotura del conducto.
El eje de simetría puede coincidir, por ejemplo, con el eje de simetría de las caras internas de las porciones adyacentes a la arista interna.
En ciertos modos de realización, las porciones adyacentes, en particular, las caras internas de las porciones adyacentes, forman con un eje perpendicular al eje de simetría un ángulo superior o igual a 0° (grado), preferentemente superior o igual a 10°, preferentemente superior o igual a 20°, preferentemente superior o igual a 30, también más preferentemente superior o igual a 40° e inferior o igual a 50°, preferentemente inferior o igual a 45°.
En ciertos modos de realización, las dos aristas internas están opuestas una a la otra con respecto al eje de simetría. En ciertos modos de realización, el conducto presenta en sección dos ejes de simetría.
Preferentemente, los dos ejes de simetría son perpendiculares entre sí.
Descripción de las figuras
Otras características y ventajas del objeto de la presente exposición se desprenderán de la siguiente descripción de modos de realización, dados a título de ejemplos no limitativos, con referencia a las figuras adjuntas.
[Fig. 1] La figura 1 es una vista en corte de una sección de un conducto según un primer modo de realización del conducto.
[Fig. 2] La figura 2 es una vista en corte de una sección de un conducto según un segundo modo de realización del conducto.
[Fig. 3] La figura 3 es una vista en corte de una sección de un conducto según un tercer modo de realización del conducto.
[Fig. 4] La figura 4 es una vista en corte de una sección de un conducto según un cuarto modo de realización del conducto.
[Fig. 5] La figura 5 es una vista en corte de una sección de un conducto según un quinto modo de realización del conducto.
[Fig. 6] La figura 6 es una vista en corte de una sección de un conducto según un sexto modo de realización del conducto.
[Fig. 7] La figura 7 es una vista en corte de una sección de un conducto según un séptimo modo de realización del conducto.
[Fig. 8] La figura 8 es una vista en corte de una sección de un conducto según un octavo modo de realización del conducto.
[Fig. 9] La figura 9 es una vista en corte de una sección de un conducto según un noveno modo de realización del conducto.
[Fig. 10] La figura 10 es una vista en corte de una sección de un conducto según un décimo modo de realización del conducto.
[Fig. 11] La figura 11 es una vista en corte de una sección de un conducto según un undécimo modo de realización del conducto.
[Fig. 12] La figura 12 es una vista en corte de una sección de un conducto según un duodécimo modo de realización del conducto.
[Fig. 13] La figura 13 es una vista en corte de una sección de un conducto según un decimotercer modo de realización del conducto.
[Fig. 14] La figura 14 es una vista en corte de una sección de un conducto según un decimocuarto modo de realización del conducto.
En el conjunto de las figuras, los elementos en común se localizan por unas referencias numéricas idénticas.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 representa un conducto 10 para pieza para turbomáquina, en particular, una pieza de estátor para turbomáquina, tal como una voluta de salida de bomba o una voluta de entrada de turbina de gas.
En el modo de realización de la figura 1, el conducto 10 comprende una pared 12 que presenta en sección una sección interna S y dos aristas internas, una primera arista interna 14A y una segunda arista interna 14B. Cada arista interna 14A, 14B presenta un radio de curvatura R que es superior o igual a 0,5 mm, preferentemente superior o igual a 1 mm e inferior o igual a 5 mm, preferentemente inferior o igual a 4 mm. Por ejemplo, en el modo de realización de la figura 1, el radio de curvatura R es igual a 2 mm. El radio de curvatura R de cada arista interna 14A, 14B se mide sobre una superficie interna al conducto 10.
En el modo de realización de la figura 1, la pared 12, en particular, la sección interna S, comprende dos ejes de simetría, un primer eje de simetría X y un segundo eje de simetría Y que son perpendiculares uno al otro.
En el modo de realización de la figura 1, la primera arista interna 14A está opuesta a la segunda arista interna 14B con respecto al segundo eje de simetría Y.
A ambos lados de la primera arista interna 14A, la pared 12 comprende dos porciones adyacentes 12AA, 12AB, incluyendo cada porción adyacente 12AA, 12AB una cara interna 16a al conducto 10. Las caras internas 16A de las dos porciones adyacentes 12AA, 12AB son simétricas con respecto a la primera arista interna 14A y con respecto al primer eje de simetría X.
Asimismo, a ambos lados de la segunda arista interna 14B, la pared 12 comprende dos porciones adyacentes 12BA, 12BB, incluyendo cada porción adyacente 12BA, 12BB una cara interna 16B al conducto 10. Las caras internas 16B de las dos porciones adyacentes 12BA, 12BB son simétricas con respecto a la segunda arista interna 14B y con respecto al primer eje de simetría X.
En el modo de realización de la figura 1, cada porción adyacente 12AA, 12AB a la primera arista interna 14A, en particular, la cara interna 16A, forma con el segundo eje de simetría un ángulo a que es superior o igual a 0°, preferentemente superior o igual a 10°, preferentemente superior o igual a 20°, preferentemente superior o igual a 30, también más preferentemente superior o igual a 40° e inferior o igual a 50°, preferentemente inferior o igual a 45°. Lo mismo se aplica a las porciones adyacentes 12BA, 12BB a la segunda arista interna 14B, en particular, las caras internas 16B. En el modo de realización de la figura 1, el ángulo a es igual a 40°.
En el modo de realización de la figura 1, una porción de pared que comprende la primera arista interna 14A presenta un espesor E14 medido según el primer eje de simetría X. Cada porción adyacente 12AA, 12AB presenta un espesor E12. El espesor E12 se mide según una dirección perpendicular a la pared 12.
En el modo de realización de la figura 1, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A y el espesor E12 de las dos porciones adyacentes 12AA, 12AB a la primera arista interna 14a son iguales.
En el modo de realización de la figura 1, una porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B presenta un espesor E14 medido según el primer eje de simetría X. Cada porción adyacente 12BA, 12BB presenta un espesor E12. El espesor E12 se mide según una dirección perpendicular a la pared 12.
En el modo de realización de la figura 1, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B y el espesor E12 de las dos porciones adyacentes 12Ba , 12BB a la segunda arista interna 14B son iguales.
Por lo demás, en el modo de realización de la figura 1, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A y el espesor E14 de la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B son iguales. También, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A y de la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B es igual al espesor E12 de las porciones adyacentes 12AA, 12Ab a la primera arista interna 14A y de las porciones adyacentes 12BA, 12BB a la segunda arista interna 14B.
En lo que sigue, los elementos comunes a los diferentes modos de realización se identifican por las mismas referencias numéricas.
El modo de realización de la figura 2 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 2 difiere, en concreto, por que el ángulo a entre las porciones adyacentes y el segundo eje de simetría Y es igual a 60° y el radio de curvatura R de la primera y de la segunda arista interna 14A, 14B es igual a 2 mm.
El modo de realización de la figura 3 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 3 difiere, en concreto, por que el tamaño de la sección interna S y el espesor de la pared 12 son diferentes.
El modo de realización de la figura 4 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 4 difiere, en concreto, por que la pared 12 no es continua en sección y presenta una abertura 18.
Aunque el conducto 10 presenta en sección una abertura 18 y la forma externa de la primera arista interna 14A difiere de la forma externa de la segunda arista interna 14B, podemos definir el primer eje de simetría X y el segundo eje de simetría Y de la sección interna S de la pared 12, delimitada por los trazos discontinuos en la figura 4.
La primera arista interna 14A está opuesta a la segunda arista interna 14B con respecto al segundo eje de simetría Y de la pared 12 en sección. El radio de curvatura R de la primera y de la segunda arista interna 14A, 14B es igual a 2 mm.
El modo de realización de la figura 5 es similar al modo de realización de la figura 4. El modo de realización de la figura 5 difiere, en concreto, por que la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B presenta una forma externa al conducto 10 que es diferente de la forma externa de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A y por que el espesor E14A de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14a es superior al espesor E12AA, E12AB de las porciones adyacentes 12AA, 12AB a la primera arista interna 14A.
En el modo de realización de la figura 5, el espesor E14A de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A es igual a 8 mm y el espesor E12AA, E12AB de las porciones adyacentes 12AA, 12AB a la primera arista interna 14A es igual a 6 mm. El radio de curvatura R de la primera y de la segunda arista interna 14A, 14B es igual a 2 mm. La porción de pared que comprende la primera arista interna 14A presenta una anchura L14A, medida perpendicularmente al espesor E14A de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A y a la mitad del espesor E14A de la porción de pared que comprende la primera arista interna 14A, igual a 8 mm.
El modo de realización de la figura 6 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 6 difiere, en concreto, por que no comprende un primer eje de simetría X. La primera arista interna 14A y la segunda arista interna 14B están opuestas una a la otra con respecto al eje de simetría Y de la sección interna S de la pared 12 del conducto 10. La primera arista interna 14A presenta un eje de simetría X' de las porciones adyacentes 12AA, 12AB a la primera arista interna 14A y la segunda arista interna 14B presenta un eje de simetría X' de las porciones adyacentes 12BA, 12BB a la segunda arista interna 14B. El eje de simetría X' de la primera arista interna 14A coincide con el eje de simetría X' de la segunda arista interna 14B. No obstante, en el modo de realización de la figura 6, el eje de simetría X' no es un eje de simetría de la sección interna S.
En el modo de realización de la figura 6, el radio de curvatura R de la primera y de la segunda arista interna 14A, 14B es igual a 3 mm y el espesor E14B de la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B es igual a 8 mm. El espesor E12BA de la porción adyacente 12BA es igual al espesor E12BB de la porción adyacente 12BB, estos espesores son iguales al espesor E14b de la porción de pared que comprende la segunda arista interna 14B.
El modo de realización de la figura 7 es similar al modo de realización de la figura 6. El modo de realización de la figura 7 difiere, en concreto, por que el espesor E14A de la primera arista interna 14A es igual a 6 mm.
El modo de realización de la figura 8 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 8 difiere, en concreto, por que no comprende un primer eje de simetría X y un segundo eje de simetría Y. La segunda arista interna 14B presenta un eje de simetría X" de las porciones adyacentes 12BA, 12BB a la segunda arista interna 14B. La primera arista interna 14a no presenta un eje de simetría de las porciones adyacentes 12AA, 12AB.
Podemos decir que la primera arista interna 14A está opuesta a la segunda arista interna 14B.
El modo de realización de la figura 9 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 9 difiere, en concreto, por que el conducto comprende una arista interna 14.
En el modo de realización de la figura 9, el radio de curvatura R de la arista interna 14 es igual a 2 mm y el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 5 mm.
El modo de realización de la figura 10 es similar al modo de realización de la figura 9. El modo de realización de la figura 10 difiere, en concreto, por que la forma general de la sección interna S es diferente.
En el modo de realización de la figura 10, el radio de curvatura R de la arista interna 14 es igual a 4 mm y el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 6 mm.
El modo de realización de la figura 11 es similar al modo de realización de la figura 1. El modo de realización de la figura 11 difiere, en concreto, por que el conducto comprende una arista interna 14, una abertura 18 y por que el eje de simetría X' de las porciones adyacentes 12A, 12B a la arista interna 14 no es un eje de simetría de la sección interna S.
En el modo de realización de la figura 11, el radio de curvatura R de la arista interna 14 es igual a 3 mm, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 8 mm y la anchura L14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 10 mm. El espesor E12 de las porciones de pared adyacentes a la arista interna es igual a 6 mm.
El modo de realización de la figura 12 es similar al modo de realización de la figura 11. El modo de realización de la figura 12 difiere, en concreto, por que la abertura 18 está dispuesta de manera diferente en la pared 12.
El modo de realización de la figura 13 es similar al modo de realización de la figura 11. El modo de realización de la figura 13 difiere, en concreto, por que la sección no incluye una abertura 18.
En el modo de realización de la figura 13, el espesor E12 de la pared adyacente 12A, 12B es igual a 4 mm, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 7 mm y la anchura L14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 15 mm. El radio de curvatura R de la arista interna 14 es igual a 2 mm. También, el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 1,75 veces el espesor E12 de las porciones de pared adyacentes a la arista interna y la anchura L14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual a 2,14 veces el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14.
El modo de realización de la figura 14 es similar al modo de realización de la figura 12. El modo de realización de la figura 14 difiere, en concreto, por que el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 es igual al espesor E12 de la pared adyacente 12A, 12B.
En el modo de realización de la figura 14, el espesor E12 de la pared adyacente 12A, 12B y el espesor E14 de la porción de pared que comprende la arista interna 14 son iguales a 6 mm. El radio de curvatura R de la arista interna 14 es igual a 2 mm.
El conducto 10 de los diferentes modos de realización presentados en las figuras 1 a 14 se puede realizar por fabricación aditiva por fusión láser sobre lecho de polvo.
A pesar de que la presente exposición se haya descrito haciendo referencia a un ejemplo de realización específico, es evidente que pueden efectuarse unas modificaciones y cambios diferentes sobre estos ejemplos sin salirse del alcance general de la invención, tal como se define por las reivindicaciones. Además, unas características individuales de los modos diferentes de realización aludidos se pueden combinar en unos modos de realización adicionales. Por consiguiente, la descripción y los dibujos deben considerarse en un sentido ilustrativo, más bien que restrictivo.

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Conducto (10) para turbomáquina, siendo el conducto (10) una voluta de salida de bomba o una voluta de entrada de turbina de gas, caracterizado por que el conducto (10) comprende una pared (12) que incluye una arista interna (14; 14A, 14B) que presenta en sección un radio de curvatura (R) superior o igual a 0,5 mm, preferentemente superior o igual a 1 mm e inferior o igual a 5 mm, preferentemente inferior o igual a 4 mm.
2. Conducto (10) según la reivindicación 1, en el que la pared (12) comprende una porción adyacente (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna (14; 14A, 14B) que presenta un espesor (E12) y una porción de pared que comprende la arista interna presenta un espesor (E14; E14A) superior al espesor (E12) de la porción adyacente (12a , 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna.
3. Conducto (10) según la reivindicación 2, en el que el espesor (E14; E14A) de la porción de pared que comprende la arista interna es superior o igual a 1,1 veces el espesor (E12) de la porción adyacente (12a , 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna, preferentemente superior o igual a 1,5 veces el espesor de la porción adyacente (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna.
4. Conducto (10) según la reivindicación 3, en el que el espesor (E14, E14A) de la porción de pared que comprende la arista interna es inferior o igual a 3 veces el espesor de la porción adyacente (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna, preferentemente inferior o igual a 2,5 veces el espesor de la porción adyacente (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna.
5. Conducto (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la pared (12) comprende dos porciones adyacentes (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) a la arista interna (14; 14A, 14B), dispuestas a ambos lados de la arista interna (14; 14A, 14B), incluyendo cada porción (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) una cara interna (16; 16A, 16B), siendo las caras internas (16; 16A, 16B) de las dos porciones adyacentes (12A, 12B; 12AA, 12AB, 12BA, 12BB) simétricas con respecto a la arista interna (14; 14A, 14B).
6. Conducto (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende dos aristas internas (14A, 14B) opuestas una a la otra.
7. Conducto (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que presenta en sección un eje de simetría (X).
8. Conducto (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que presenta en sección dos ejes de simetría (X, Y).
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