ES2998441T3 - Turbine engine comprising an annular attachment flange - Google Patents

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ES2998441T3 ES20175251T ES20175251T ES2998441T3 ES 2998441 T3 ES2998441 T3 ES 2998441T3 ES 20175251 T ES20175251 T ES 20175251T ES 20175251 T ES20175251 T ES 20175251T ES 2998441 T3 ES2998441 T3 ES 2998441T3
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Cyril Loiseau
Sébastien Boufflert
Thibaut Lemaire
Alexandre Brial
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Abstract

Turbomáquina (10) que comprende un eje de rotación (A) y una brida anular (16) para la fijación de un primer componente (12) a un segundo componente (14). La brida anular de fijación (16) comprende, en vista en sección según un plano que comprende el eje de rotación (A), una porción intermedia en forma general de "U" que comprende un núcleo (18) prolongado por dos alas (20, 22), un primer extremo (24) conectado al primer componente (12) y un segundo extremo (26) conectado al segundo componente (14). El primer componente (12) está destinado a estar a una primera temperatura (T1) y el segundo componente (14) está destinado a estar a una segunda temperatura (T2), siendo la segunda temperatura (T2) superior a la primera temperatura (T1). La brida de fijación anular (16) está configurada de manera que un desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo (26) sea mayor o igual a 10 -9 mm/N y menor o igual a 10 -4 mm/N. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Turbomáquina que comprende una brida anular de fijación
Sector de la técnica
La presente divulgación se refiere a una turbomáquina que comprende una brida anular de fijación.
Estado de la técnica
Se conocen turbomáquinas que comprenden una turbobomba. La turbobomba está compuesta por una bomba generalmente fría y por una turbina, activada generalmente por gases calientes. La integración del conjunto de la turbomáquina necesita controlar el paso de esfuerzos entre la bomba y la turbina, al mismo tiempo que se controlan los cambios de dimensión debidos a la diferencia de temperaturas entre la bomba y la turbina.
Para las turbomáquinas llamadas «low power», es decir, en las que los niveles de presión son generalmente inferiores a 100 bares y los gradientes térmicos inferiores a 450 K entre la bomba y la turbina, el cárter de la turbina está unido al resto de la turbomáquina, en general, al buje central de la turbomáquina, por una brida anular de fijación situada debajo del toro de admisión de la turbina.
Sin embargo, para las turbomáquinas llamadas «high power», es decir, en las que los niveles de presión son generalmente superiores a 100 bares y los gradientes térmicos superiores a 450 K entre la bomba y la turbina, la diferencia de temperatura entre la bomba y la turbina crea tensiones mecánicas relativamente importantes cuando la turbina, y en particular el toro de admisión de la turbina, está unida al buje central de la turbomáquina por una brida anular de fijación situada debajo del toro de admisión de la turbina.
También, para limitar los gradientes térmicos en la brida anular, la turbina, en particular el cárter de turbina, está unida al resto de la turbomáquina por una brida anular de fijación dispuesta encima del toro de admisión de la turbina y uno de cuyos extremos está unido a la turbina y el otro extremo está unido a un cárter exterior de la bomba de la turbomáquina. En el lado de la turbina, la brida anular de fijación está unida a otras dos bridas y forma una brida triple, lo que hace que el diseño y el montaje de la turbomáquina, en particular de la turbina, sean más complejos que en el caso de una turbomáquina llamada «low power».
Además, para limitar los gradientes térmicos entre la bomba y la turbina, se instalan pantallas térmicas, generalmente al menos dos, entre la bomba y la turbina, en particular alrededor del toro de admisión de la turbina, y se instala un elemento de estanqueidad para impedir que los gases calientes que circulan en la turbina vuelvan hacia las partes más frías de la turbomáquina, en particular la bomba. Estas pantallas térmicas y este elemento de estanqueidad hacen que el diseño, la fabricación y el montaje de la turbomáquina sean más complejos que en el caso de una turbomáquina llamada «low power». Esta complejidad conlleva igualmente costes de fabricación de la turbomáquina más elevados que en el caso de una turbomáquina llamada «low power».
El estado de la técnica comprende particularmente los documentos US2012/077607 y US4126405.
Objeto de la invención
La presente divulgación tiene por objetivo solucionar, al menos en parte, estos inconvenientes.
A este efecto, la invención se refiere a una turbomáquina que comprende un eje de rotación y una brida anular de fijación de un primer componente a un segundo componente, comprendiendo la brida anular de fijación, en vista en corte según un plano que comprende el eje de rotación, una parte intermedia con forma general de «U», que comprende un núcleo prolongado por dos alas, un primer extremo unido al primer componente y un segundo extremo unido al segundo componente, estando el primer componente destinado a estar a una primera temperatura y estando el segundo componente destinado a estar a una segunda temperatura, siendo la segunda temperatura superior a la primera temperatura, estando la brida anular de fijación configurada para que un desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo sea superior o igual a 10-9 mm/N (milímetro por Newton) e inferior o igual a 10-4 mm/N.
El plano de corte que comprende el eje de rotación de la turbomáquina es un plano de corte axial.
Gracias a la forma en «U» de la brida anular de fijación, es posible situar la brida anular de fijación entre el primer y el segundo componente a pesar de la diferencia de temperatura entre los dos componentes y esto, sin generar tensiones mecánicas relativamente importantes. Se entiende que, con relación al eje de rotación de la turbomáquina, la brida anular de fijación está situada radialmente entre el primer y el segundo componente, es decir, que el primer y el segundo extremo de la brida anular de fijación están dispuestos radialmente entre el primer componente y un extremo radial exterior del segundo componente. La brida anular de fijación no es una brida radialmente exterior al segundo componente.
Se entiende que cada ala comprende uno de los extremos de la brida anular de fijación.
Se entiende que la primera temperatura y la segunda temperatura son temperaturas máximas en funcionamiento de la turbomáquina.
El posicionamiento de la brida anular de fijación entre el primer y el segundo componente permite igualmente prescindir de la brida triple y reducir la masa de la brida anular de fijación. En efecto, cuando la brida anular de fijación está unida a un cárter exterior, la brida anular de fijación presenta una masa más importante que cuando la brida anular de fijación está situada entre el primer y el segundo componente.
Además, la brida anular de fijación puede desempeñar también una función de estanqueidad entre el primer y el segundo componente e impedir que los gases calientes que circulan en el segundo componente vuelvan hacia el primer componente. Esto permite reducir el número de componentes, la masa de los componentes requeridos para el montaje del segundo componente en la turbomáquina y reducir la complejidad del diseño y el montaje del segundo componente en la turbomáquina.
Debido al desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo, que es superior o igual a 10 9 mm/N e inferior o igual a 10-4 mm/N, el desplazamiento radial en funcionamiento del segundo componente está controlado y la brida anular de fijación, al mismo tiempo que posee una cierta elasticidad, presenta una rigidez que permite fijar el primer componente al segundo componente y esto, entre la temperatura de funcionamiento (teniendo en cuenta un coeficiente de seguridad) y la temperatura ambiente, al mismo tiempo que se tienen en cuenta las diferentes temperaturas de los componentes en funcionamiento.
El coeficiente de seguridad para la temperatura puede ser, por ejemplo, del 20 %. Así, la temperatura mínima se disminuirá un 20 % y la temperatura máxima se aumentará un 20 %.
El desplazamiento radial por unidad de fuerza pone de manifiesto la flexibilidad de la brida anular de fijación. Así, la flexibilidad máxima de la brida anular de fijación se obtendrá por la relación de un desplazamiento máximo del segundo extremo de la brida anular de fijación respecto al esfuerzo mínimo y la flexibilidad mínima de la brida anular de fijación se obtendrá por la relación de un desplazamiento mínimo del segundo extremo de la brida anular de fijación respecto al esfuerzo máximo. El desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo de la brida anular de fijación está comprendido por lo tanto entre estos dos valores de la flexibilidad de la brida anular de fijación.
Por lo tanto, la brida anular de fijación permite fijar el primer componente, llamado «frío», al segundo componente, llamado «caliente».
En ciertos modos de realización, la brida anular de fijación está configurada para que las tensiones máximas debidas al gradiente térmico en cualquier punto de la brida anular de fijación estén comprendidas entre 100 MPa (megapascal) y 1000 MPa.
Se entiende que, en funcionamiento y/o durante la subida o el descenso de temperatura, existe un gradiente térmico en la brida anular de fijación. Este gradiente térmico (teniendo en cuenta un coeficiente de seguridad) genera tensiones que varían de un punto a otro de la brida anular de fijación. En un punto dado de la brida anular de fijación, la tensión varía igualmente con el transcurso del tiempo, en función de la temperatura. También, la tensión máxima está determinada para cada punto de la brida anular de fijación. En cada punto de la brida anular de fijación, la tensión máxima está comprendida por lo tanto entre 100 MPa y 1000 MPa. Por lo tanto, se entiende que la tensión en un punto dado puede ser inferior a 100 MPa.
El coeficiente de seguridad para la temperatura puede ser, por ejemplo, del 20 %. Así, la temperatura mínima se disminuirá un 20 % y la temperatura máxima se aumentará un 20 %.
En ciertos modos de realización, la primera temperatura es inferior o igual a 200 K, preferiblemente, inferior o igual a 150 K, incluso más preferiblemente, inferior o igual a 100 K y la segunda temperatura es superior o igual a 300 K, preferiblemente, superior o igual a 500 K, incluso más preferiblemente, superior o igual a 700 K.
En ciertos modos de realización, en los que una longitud de la brida anular de fijación, medida entre el primer extremo y el segundo extremo, es superior o igual a 20 veces la dilatación térmica máxima de la brida anular de fijación, preferiblemente, superior o igual a 100 veces, incluso más preferiblemente, superior o igual a 500 veces e inferior o igual a 5000 veces la dilatación térmica máxima de la brida anular de fijación, preferiblemente, inferior o igual a 3000 veces, incluso más preferiblemente, inferior o igual a 1000 veces.
Se entiende que para medir la longitud de la brida anular de fijación, en el plano de corte que comprende el eje de rotación de la turbomáquina, se toma una fibra neutra de dicha brida anular de fijación.
La dilatación térmica máxima se determina entre la temperatura ambiente y las temperaturas en funcionamiento, es decir, la primera temperatura y la segunda temperatura, y se compara con la longitud de la brida anular de fijación a temperatura ambiente.
En ciertos modos de realización, las dos alas están separadas entre sí un espacio superior o igual al 2 % de la longitud de la brida anular de fijación, preferiblemente, superior o igual al 5 %, incluso más preferiblemente, superior o igual al 10 % e inferior o igual al 50 % de la longitud de la brida anular de fijación.
En ciertos modos de realización, el núcleo presenta un espesor y las alas presentan un espesor, siendo el espesor del núcleo superior al espesor de las alas, preferiblemente, siendo el espesor del núcleo 25 veces superior o igual al espesor de las alas, incluso más preferiblemente, 50 veces superior o igual al espesor de las alas, incluso más preferiblemente, 100 veces superior o igual al espesor de las alas.
En ciertos modos de realización, el núcleo presenta una anchura y las alas presentan un espesor, siendo la anchura del núcleo superior al espesor de las alas, preferiblemente, siendo la anchura del núcleo 25 veces superior o igual al espesor de las alas, incluso más preferiblemente, 50 veces superior o igual al espesor de las alas, incluso más preferiblemente, 100 veces superior o igual al espesor de las alas.
En ciertos modos de realización, el núcleo tiene una cara interna que presenta un radio de curvatura no nulo.
El límite superior del radio de curvatura del núcleo de la brida anular de fijación está dado generalmente por el volumen disponible entre la brida anular de fijación y el segundo componente. El radio de curvatura puede no ser constante, es decir, puede variar. A título de ejemplo no limitativo, la cara interna podría presentar dos partes curvadas, separadas entre sí por una parte recta.
Según la reivindicación 1, el primer componente es un cuerpo de turbobomba, por ejemplo, un buje de cuerpo de turbobomba, y el segundo componente es un conducto de admisión de gas de turbina de turbobomba.
En ciertos modos de realización, la brida anular de fijación está realizada en una superaleación.
A título de ejemplos no limitativos, se pueden citar las superaleaciones a base de níquel-cromo, tales como las aleaciones comúnmente designadas por las marcas registradas Inconel®, Hastelloy® X, las superaleaciones a base de níquel-cobre, tales como las aleaciones comúnmente designadas por la marca registrada Monel®, las superaleaciones a base de níquel-cromo-cobalto, tales como las aleaciones comúnmente designadas por las marcas registradas Waspalloy®, Nimonic®, Astroloy®, las superaleaciones de acero inoxidable martensítico, tales como las aleaciones comúnmente designadas por la marca registrada 17-7-PH®.
En ciertos modos de realización, la brida anular de fijación y el segundo componente forman una pieza única.
Se simplifica el montaje de la turbomáquina.
Descripción de las figuras
Otras características y ventajas del objeto de la presente divulgación resultarán evidentes de la siguiente descripción de modos de realización, dados a título de ejemplos no limitativos, con referencia a las figuras anexas.
[Fig. 1] La figura 1 es una vista esquemática parcial, en corte axial, de una turbomáquina según un primer modo de realización.
[Fig. 2] La figura 2 es una vista esquemática parcial, en corte axial, de una turbomáquina según un segundo modo de realización.
[Fig. 3] La figura 3 es una vista esquemática, en corte axial, de una brida anular de fijación según un modo de realización.
En el conjunto de las figuras, los elementos en común se designan por referencias numéricas idénticas.
Descripción detallada de la invención
La figura 1 representa una vista esquemática parcial, en corte axial, de una turbomáquina 10 según un primer modo de realización. La turbomáquina 10 comprende un eje de rotación A y una dirección radial R. La turbomáquina 10 comprende un primer componente 12 y un segundo componente 14. El primer componente 12 es un cuerpo de turbobomba, por ejemplo, un buje de cuerpo de turbobomba, y el segundo componente 14 es un conducto de admisión de gas de turbina de turbobomba.
El segundo componente 14 está fijado sobre el primer componente 12 por una brida anular de fijación 16.
La brida anular de fijación 16 está dispuesta radialmente entre el primer componente 12 y el segundo componente 14. Como se puede constatar en la figura 1, gracias a la brida anular de fijación 16, el primer componente 12 y el segundo componente 14 están fijados entre sí sin una brida triple dispuesta radialmente en el exterior del segundo componente, como es el caso en las turbomáquinas del estado de la técnica.
En funcionamiento, el primer componente 12 está a una temperatura máxima T1 y el segundo componente está a una temperatura máxima T2, siendo la temperatura T1 inferior a la temperatura T2.
La brida anular de fijación 16 comprende, en vista en corte según un plano que comprende el eje de rotación A, una parte intermedia con forma general de «U», que comprende un núcleo 18 prolongado por dos alas 20, 22, un primer extremo 24 unido al primer componente 12 y un segundo extremo 26 unido al segundo componente 14.
En el modo de realización de la figura 1, cada ala 20, 22 está prolongada por una parte de fijación 20A, 22A, teniendo cada parte de fijación 20A, 22A un extremo 24, 26.
En el modo de realización de la figura 1, la turbomáquina 10 comprende igualmente unos álabes de turbina 28 alimentados con gas caliente mediante el segundo componente 14, particularmente el conducto de admisión de gas de turbina de turbobomba.
La brida anular de fijación 16 está configurada para que un desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo sea superior o igual a 10-9 mm/N (milímetro por Newton) e inferior o igual a 10-4 mm/N.
A título de ejemplo no limitativo, para un desplazamiento máximo de 10 mm del segundo extremo 26 de la brida anular de fijación 16 y un esfuerzo mínimo de aproximadamente 603186 N, la flexibilidad máxima de la brida anular de fijación 16 es igual a aproximadamente 1,7x10-5 mm/N y para un desplazamiento mínimo de 1 mm del segundo extremo 26 de la brida anular de fijación 16 y un esfuerzo máximo de aproximadamente 280933781 N, la flexibilidad mínima de la brida anular de fijación 16 es igual a 3,6x10-9 mm/N. Así, el desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo 26 de la brida anular de fijación 16 está comprendido por lo tanto entre estos dos valores de la flexibilidad de la brida anular de fijación.
A título de ejemplo no limitativo, la brida anular de fijación puede estar realizada en INCONEL 718.
En lo que sigue, los elementos comunes a los diferentes modos de realización se identifican por las mismas referencias numéricas.
La figura 2 representa un segundo modo de realización de la turbomáquina 10, en el que el segundo extremo 26 está dispuesto de modo distinto del posicionamiento del primer modo de realización.
Por lo tanto, se constata que el segundo extremo 26 puede estar situado en puntos diferentes del segundo elemento 14.
Los modos de realización de las figuras 1 y 2 se dan a título de ejemplos no limitativos.
El primer extremo 24 puede estar igualmente dispuesto en puntos diferentes y esto, particularmente, en función del volumen y, por lo tanto, del espacio disponible en la turbomáquina.
La figura 3 representa una vista esquemática, en corte axial, de la brida anular de fijación de la figura 2.
Como se representa en la figura 3, el núcleo 18 de la brida anular de fijación 16 presenta un espesor E18 y una anchura L18 y las alas 20, 22 presentan un espesor E20, E22.
En el modo de realización de la figura 3, el espesor E18 y la anchura L18 del núcleo 18 son superiores al espesor E20, E22 de las alas 20, 22. A título de ejemplo no limitativo, el espesor E20, E22 de las alas 20, 22 puede ser igual a 4 mm, el espesor E18 del núcleo 18 puede ser igual a 10 mm y la anchura L18 del núcleo 18 puede ser igual a 18 mm.
En el modo de realización de la figura 3, las alas 20, 22 tienen unos espesores E20, E22 que son iguales. Los espesores E20, E22 podrían ser diferentes.
En el modo de realización de la figura 3, la cara interna presenta un radio de curvatura R18 no nulo.
A título de ejemplo no limitativo, el radio de curvatura R18 del núcleo 18 puede ser de 4 mm (milímetro).
En el modo de realización de la figura 3, el radio de curvatura R18 del núcleo 18 es constante. Podría no ser constante.
Cuando el radio de curvatura R18 del núcleo 18 es constante, el espacio entre las dos alas 20, 22 de la brida anular de fijación 16 es igual a dos veces el radio de curvatura del núcleo 18.
En el modo de realización de la figura 3, la parte de fijación 20A comprende un orificio de fijación 24B de la brida anular de fijación 16 sobre el primer componente 12.
A título de ejemplo no limitativo, la brida anular de fijación 16 se puede realizar mediante fabricación aditiva, por ejemplo, mediante fabricación aditiva por fusión láser sobre lecho de polvo. Cuando la brida anular de fijación 16 se realiza mediante fabricación aditiva, se puede realizar en una sola pieza con el segundo componente. Así, se puede prescindir de los medios de fijación del segundo extremo 26 de la brida anular de fijación 16 con el segundo componente 14.
Aunque la presente divulgación se ha descrito haciendo referencia a un ejemplo de realización específico, es evidente que se pueden efectuar diferentes modificaciones y cambios en estos ejemplos, sin salirse del alcance general de la invención, tal como se define por las reivindicaciones.
Por consiguiente, la descripción y las figuras se deben considerar en sentido ilustrativo, en lugar de restrictivo.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Turbomáquina (10) que comprende un eje de rotación (A) y una brida anular de fijación (16) de un primer componente (12) a un segundo componente (14), siendo el primer componente (12) un cuerpo de turbobomba y siendo el segundo componente (14) un conducto de admisión de gas de turbina de turbobomba, comprendiendo la brida anular de fijación (16), en vista en corte según un plano que comprende el eje de rotación (A), una parte intermedia con forma general de «U», que comprende un núcleo (18) prolongado por dos alas (20, 22), un primer extremo (24) unido al primer componente (12) y un segundo extremo (26) unido al segundo componente (14), estando el primer componente (12) destinado a estar a una primera temperatura (T1) y estando el segundo componente (14) destinado a estar a una segunda temperatura (T2), siendo la segunda temperatura (T2) superior a la primera temperatura (T1), estando la brida anular de fijación (16) configurada para que un desplazamiento radial máximo por unidad de fuerza del segundo extremo (26) sea superior o igual a 10-9 mm/N e inferior o igual a 10 4 mm/N.
2. Turbomáquina (10) según la reivindicación 1, en la que la brida anular de fijación (16) está configurada para que las tensiones máximas debidas al gradiente térmico en cualquier punto de la brida anular de fijación (16) estén comprendidas entre 100 MPa y 1000 MPa.
3. Turbomáquina (10) según la reivindicación 1 o 2, en la que la primera temperatura (T1) es inferior o igual a 200 K, preferiblemente, inferior o igual a 150 K, incluso más preferiblemente, inferior o igual a 100 K y la segunda temperatura (T2) es superior o igual a 300 K, preferiblemente, superior o igual a 500 K, incluso más preferiblemente, superior o igual a 700 K.
4. Turbomáquina (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que una longitud de la brida anular de fijación (16), medida entre el primer extremo (24) y el segundo extremo (26), es superior o igual a 20 veces la dilatación térmica máxima de la brida anular de fijación (16), preferiblemente, superior o igual a 100 veces, incluso más preferiblemente, superior o igual a 500 veces e inferior o igual a 5000 veces la dilatación térmica máxima de la brida anular de fijación (16), preferiblemente, inferior o igual a 3000 veces, incluso más preferiblemente, inferior o igual a 1000 veces.
5. Turbomáquina (10) según la reivindicación 4, en la que las dos alas (20, 22) están separadas entre sí un espacio superior o igual al 2 % de la longitud de la brida anular de fijación, preferiblemente, superior o igual al 5 %, incluso más preferiblemente, superior o igual al 10 % e inferior o igual al 50 % de la longitud de la brida anular de fijación.
6. Turbomáquina (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el núcleo (18) presenta un espesor (E18) y las alas (20, 22) presentan un espesor (E20, E22), siendo el espesor (E18) del núcleo (18) superior al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), preferiblemente, siendo el espesor (E18) del núcleo (18) 25 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), incluso más preferiblemente, 50 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), incluso más preferiblemente, 100 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22).
7. Turbomáquina según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en la que el núcleo (18) presenta una anchura (L18) y las alas (20, 22) presentan un espesor (E20, E22), siendo la anchura (L18) del núcleo (18) superior al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), preferiblemente, siendo la anchura (L18) del núcleo (18) 25 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), incluso más preferiblemente, 50 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22), incluso más preferiblemente, 100 veces superior o igual al espesor (E20, E22) de las alas (20, 22).
8. Turbomáquina (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el núcleo (18) tiene una cara interna que presenta un radio de curvatura (R18) no nulo.
9. Turbomáquina (10) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la brida anular de fijación (16) está realizada en una superaleación.
ES20175251T 2019-05-20 2020-05-18 Turbine engine comprising an annular attachment flange Active ES2998441T3 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1905256A FR3096411B1 (fr) 2019-05-20 2019-05-20 Turbomachine comprenant une bride annulaire de fixation

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