PROCEDIMIENTO PARA INTRODUCIR UNA DESINTONIZACIÓN VOLUNTARIA EN UNA RUEDA ALABEADA DE TURBOMÁQUINA, RUEDA ALABEADA QUE PRESENTA UNA DESINTONIZACIÓN VOLUNTARIA.

Procedimiento para introducir una desintonización voluntaria en una rueda de álabes de una turbomáquina determinada,

de manera que se introduzcan los niveles vibratorios de la rueda en respuesta forzada, de acuerdo con el cual se disponen en la citada rueda, al menos en parte, álabes de frecuencias propias diferentes con una repartición de las frecuencias según una desviación típica al menos igual a un valor elegido, caracterizado por el hecho de que consiste en determinar, en función de las condiciones de funcionamiento de la rueda en el interior de la turbomáquina, un valor óptimo de desviación típica de desintonización con respecto a la respuesta máxima en amplitud de vibración deseada en la rueda, siendo repartidos los álabes de frecuencias propias diferentes de modo que las frecuencias del conjunto de los álabes presenten una desviación típica al menos igual al citado valor de desintonización, siendo determinado el citado valor de desintonización estadísticamente

Procedimiento para introducir una desintonización voluntaria en una rueda alabeada de turbomáquina, rueda alabeada que presenta una desintonización voluntaria.

La presente invención se refiere a los rotores de turbomáquinas, y en particular a los rotores que comprenden álabes en su periferia que son sometidos durante el funcionamiento de la turbomáquina a fenómenos vibratorios.

Las ruedas de álabes de turbomáquinas tienen una estructura simétrica casi cíclica. Éstas están compuestas por una serie de sectores geométricamente idénticos, salvo una tolerancia que está ligada a las tolerancias de fabricación de sus diferentes componentes y de su montaje.

Aunque las tolerancias admitidas generalmente para la fabricación de las ruedas de álabes sean pequeñas, éstas tienen efectos significativos sobre la dinámica de la estructura. Pequeñas variaciones geométricas, debidas por ejemplo a la fabricación de las piezas y a su montaje, pequeñas variaciones de las características del material que las constituyen, tales como su módulo de Young o su masa volúmica, pueden conducir a pequeñas variaciones de frecuencia propia de resonancia de un álabe a otro.

Estas variaciones son designadas por el término de desintonización y son muy difíciles de controlar; en este caso se emplea la expresión de desintonización involuntaria. Estas pequeñas variaciones de frecuencias de álabe a álabe son suficientes para romper la simetría de la estructura. Se dice, así, que la rueda está desintonizada. Para que la rueda esté desintonizada, basta una variación entre las frecuencias propias de los álabes del 0,5% en desviación típica o incluso menos.

En una rueda de álabes desintonizada, se constata que la energía vibratoria se localiza en uno o en algunos álabes en lugar de repartirse en toda la rueda. La consecuencia de esta localización es una amplificación de la respuesta forzada. Se designa por esta expresión, la respuesta vibratoria a una excitación exterior. En una turbomáquina, especialmente aeronáutica, la excitación exterior encuentra su origen generalmente en una disimetría en el flujo aerodinámico. Ésta puede ser debida por ejemplo a los estatores aguas arriba o al estátor aguas abajo, a una distorsión, a las tomas de aire en el compresor, a las reintroducciones de aire, a la cámara de combustión o también a los brazos estructurales.

Los niveles de respuesta de álabe a álabe pueden variar en un factor 10 y el máximo en la rueda de álabes puede corresponder al doble o al triple de lo que se habría obtenido en una rueda perfectamente simétrica.

La evolución de la respuesta a una fuente de excitación en función de la desintonización sigue una curva tal como la representada en la figura 1. Ésta representa la respuesta máxima en amplitud de vibración de la rueda de álabes determinada para diferentes valores de desviación típica de las frecuencias propias de los álabes repartidos en la rueda. Para una desintonización de 0%, la respuesta está normalizada en 1. La desviación típica estándar de desintonización que se encuentra en las ruedas en utilización es del orden del 0,5%. En este gráfico, se constata generalmente que ésta corresponde al caso más desfavorable. Intentar reducirla para aproximarse a la simetría es muy costoso porque esto implica especialmente una reducción de las tolerancias de fabricación. Este gráfico muestra igualmente que a partir de un cierto nivel de desintonización b, el efecto sobre la dinámica de la rueda de álabes se atenúa y los niveles máximos observados en la rueda disminuyen.

La invención tiene por objetivo introducir una desintonización voluntaria en la rueda de álabes con el fin de reducir la respuesta máxima en la rueda, y no depender de la desintonización involuntaria, pequeña, siempre presente.

El documento EP 1 211 382 describe un rotor de turbomáquina cuyos álabes presentan frecuencias propias de vibración diferente con el fin de reducir los niveles vibratorios en respuesta forzada.

El procedimiento para introducir una desintonización voluntaria en una rueda de álabes de una turbomáquina determinada, de manera que se reduzcan los niveles vibratorios de la rueda en respuesta forzada, según el cual se disponen en la citada rueda, al menos en parte, álabes de frecuencias propias diferentes con una repartición de las frecuencias según una desviación típica al menos igual a un valor elegido, está caracterizado por el hecho de que consiste en determinar, en función de las condiciones de funcionamiento de la rueda en el interior de la turbomáquina, un valor óptimo de desviación típica de desintonización con respecto a la respuesta máxima en amplitud de vibración deseada en la rueda, siendo repartidos los álabes de frecuencias propias diferentes de modo que las frecuencias del conjunto de los álabes presenten una desviación típica al menos igual al citado valor de desintonización, siendo determinado el citado valor de desintonización estadísticamente.

La desviación típica de desintonización voluntaria introducida es, ventajosamente, superior a este valor óptimo b.

El valor b depende de la rueda estudiada, de la rigidez del disco y del valor del amortiguamiento presente en la rueda de álabes. Se puede considerar que en la mayoría de los casos el valor de b es del orden del 1% al 2% de desviación típica en frecuencia. En este caso, la desviación típica de desintonización voluntaria introducida es superior al 2%.

El diagrama de Campbell pretende determinar la situación frecuencial de la estructura frente a las excitaciones posibles. Éste hace figurar las frecuencias de los modos de vibración de la rueda de álabes, en función, por una parte, de la velocidad de rotación de la rueda y, por otra, de las frecuencias de excitación posibles. Los cruces entre estos dos tipos de curvas corresponden a las resonancias.

Un ejemplo de fuente de excitaciones está constituido por un estátor aguas arriba que comprende N álabes. Aguas abajo del estátor, se hace necesario vigilar la excitación de frecuencia f=Nω donde ω es la frecuencia de rotación del rotor. En el marco de la concepción de una turbomáquina, se determinan los parámetros geométricos y estructurales de la rueda móvil correspondiente con el fin de desplazar las resonancias fuera del intervalo de funcionamiento con un margen de seguridad.

Considérese por ejemplo el diagrama de Campbell de la figura 2, que representa en ordenadas las frecuencias de vibración de la rueda examinada y en abscisas las frecuencias de rotación de la rueda. Se han representado las frecuencias para cuatro modos vibratorios y correspondiendo las rectas a las frecuencias de excitación para dos órdenes, N1 y N2, en función de la frecuencia de rotación.

El modo nº 1 es excitado por el orden N1 fuera del intervalo de funcionamiento de la turbomáquina con un margen suficiente.

El modo nº 2 no es excitado por el orden N1; el margen es suficiente.

El modo nº 3 es excitado por el orden N2 por debajo del intervalo de funcionamiento de la turbomáquina con un margen suficiente.

El modo nº 4 es excitado por el orden N2 en el intervalo de funcionamiento de la rueda. En función del tipo de modo, esta resonancia puede no ser aceptable.

Se constata, por tanto, que es difícil encontrar un compromiso aceptable.

Si, por ejemplo, se desea mejorar la situación para la resonancia Modo 4/orden N2, el hecho de introducir una desintonización voluntaria de b% conducirá a extender las frecuencias de la rueda de álabes alrededor de su valor medio. En lugar de tener una línea por modo, se obtiene una banda por modo. La anchura de la banda depende del modo: una desintonización voluntaria de b% para una frecuencia no induce forzosamente una variación de b% de las otras frecuencias.

Esto es mucho más exigente para el dimensionamiento porque los intervalos de resonancias posibles son más amplios. Por ejemplo, en el caso precedente, los modos 1 a 3 que respetaban los márgenes frecuenciales, en el caso acordado no los respetan.

La invención, por tanto, tiene igualmente por objetivo determinar el valor de b mínimo para que su efecto sobre los niveles vibratorios sea significativo al tiempo que extiendan lo menos posible los modos de la estructura para facilitar su concepción.

Refiriéndose a la figura 1, el problema que pretende resolver la invención consiste, para un valor de amplitud máximo de vibración...

1. Procedimiento para introducir una desintonización voluntaria en una rueda de álabes de una turbomáquina determinada, de manera que se introduzcan los niveles vibratorios de la rueda en respuesta forzada, de acuerdo con el cual se disponen en la citada rueda, al menos en parte, álabes de frecuencias propias diferentes con una repartición de las frecuencias según una desviación típica al menos igual a un valor elegido, caracterizado por el hecho de que consiste en determinar, en función de las condiciones de funcionamiento de la rueda en el interior de la turbomáquina, un valor óptimo de desviación típica de desintonización con respecto a la respuesta máxima en amplitud de vibración deseada en la rueda, siendo repartidos los álabes de frecuencias propias diferentes de modo que las frecuencias del conjunto de los álabes presenten una desviación típica al menos igual al citado valor de desintonización, siendo determinado el citado valor de desintonización estadísticamente.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, según el cual,

- se define un primer valor σ_j de desviación típica de desintonización,

- se genera un número R, significativo estadísticamente, de reparticiones aleatorias de desintonización dentro de esta desviación típica σ_j,

- se calcula para cada una de las R reparticiones aleatorias, la respuesta forzada desintonizada en función de las condiciones de funcionamiento de la rueda en el interior de la turbomáquina,

- se extrae el valor máximo de ésta,

- se elige otro valor de σ_j y se itera el cálculo precedente, siendo el número de iteraciones suficiente para efectuar una curva de los valores de respuesta en función de los valores σ_j.

3. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, según el cual, se determina previamente si la introducción de una desintonización voluntaria mejora la estabilidad aeroelástica calculando la media de los coeficientes de amortiguamiento correspondientes a cada ángulo de fase posible entre los álabes, y verificando que el amortiguamiento aeroelástico del modo implicado por la fluctuación es inferior a la citada media.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 2, siendo como mucho tres el número de frecuencias propias de álabes diferentes, aparte de las tolerancias de fabricación.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, siendo repartidos los álabes según motivos con álabes de frecuencia propia f1 y álabes de frecuencia propia f2, siendo f2 diferente de f1.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, siendo los motivos sucesivos idénticos o con una pequeña variación de un motivo a otro.

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente comprendiendo cada motivo (s1+s2) álabes, s1 álabes de frecuencia f1 y s2 álabes de frecuencia f2.

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente con s1 = s2 y s1 como mucho igual al número total N de álabes de la rueda dividido por 4.

9. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, comprendiendo cada motivo (s1+s2+/-2) álabes con (s1+/-1) álabes de frecuencia f1 y (s2+/-1) álabes de frecuencia f2.

10. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, siendo sometida la rueda a una excitación de armónico n inferior al número N de álabes de la rueda dividido por dos (n<N/2) y siendo repartidos los álabes en n motivos idénticos o con una pequeña variación de un motivo a otro.

11. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, siendo sometida la rueda a una excitación de armónico n, siendo n superior al número N de álabes de la rueda dividido por dos (n>N/2), y siendo el número de motivos igual al número de diámetros del modo correspondiente.

12. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual la frecuencia de resonancia de los álabes se modifica por modificación, especialmente geométrica, de su pala.

13. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual las frecuencias de resonancia de los álabes se modifican por modificación, especialmente geométrica, de su pie, no siendo modificada la pala, de manera que no se modifique su rigidez.

14. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 11, en el cual las frecuencias de resonancia de los álabes se modifican por modificaciones de masa o de material que constituye el álabe.

15. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación precedente, siendo los álabes huecos o estando vaciados, siendo inducida la modificación por relleno de una parte de las cavidades con un material de masa volúmica adaptada.

16. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 12 a 15, en el cual el se modifica empalme entre pala y cubo de una pala a otra.