Dispositivo amortiguador de vibraciones en uniones de álabes de turbomáquina, turbomáquina y motores asociados.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala (5) y de un pie de pala (6) apto para insertarse en un alveolo (2) de un disco (1) portador de una rueda provista de alabes,

siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared del citado alveolo de retención del citado pie (14a, 14b) a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala (6) y el alveolo (2), comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo (7) constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos (8, 10) y de materiales viscoelasticos (9), estando situada al menos una capa (9) de material viscoelastico (9) entre dos capas de materiales rigidos (8, 10), comprendiendo el calzo (7) dos partes, formando cada una un ramal lateral (7a, 7b) apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retención (14a, 14b), estando unidos los dos ramales uno al otro de manera que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma fondo de calzo (7c) de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales (7a, 7b), de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala (6).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/060165.

Solicitante: SNECMA.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 2 BLD DU GÉNÉRAL MARTIAL VALIN 75015 PARIS FRANCIA.

Inventor/es: FABRE,Adrien Jacques Philippe.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F01D5/30 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR.F01D MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO, p. ej., TURBINAS DE VAPOR (motores de combustión F02; máquinas o motores de líquidos F03, F04; bombas de desplazamiento no positivo F04D). › F01D 5/00 Alabes; Organos de soporte de álabes (alojamiento de los inyectores F01D 9/02 ); Calentamiento, aislamiento térmico, refrigeración, o dispositivos antivibración en los álabes o en los órganos soporte. › Fijación de los álabes del rotor; Raíces de álabes.
  • F04D29/32 F […] › F04 MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS PARA LIQUIDOS O PARA FLUIDOS COMPRESIBLES.F04D BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO (bombas de inyección de combustible para motores F02M; bombas iónicas H01J 41/12; bombas electrodinámicas H02K 44/02). › F04D 29/00 Partes constitutivas, detalles o accesorios (elementos de máquinas en general F16). › para bombas de flujo axial.

PDF original: ES-2382985_T3.pdf

 

Dispositivo amortiguador de vibraciones en uniones de álabes de turbomáquina, turbomáquina y motores asociados.

Fragmento de la descripción:

Dispositivo amortiguador de vibraciones en uniones de alabes de turbomaquina, turbomaquina y motores asociados

La presente invención concierne al ambito de las turbomaquinas y, en particular al de los motores de turbina de gas, tales como los turborreactores, los turbopropulsores o los motores de helices rapidas (conocido tambien con el nombre de « propfans ») . Esta se refiere a un dispositivo amortiguador de las vibraciones en las uniones de los alabes de estos motores.

Las turbomaquinas aeronauticas estan compuestas por una pluralidad de ruedas provistas de alabes, es decir de discos rotatorios en cuya periferia estan fijados alabes móviles. Estas ruedas provistas de alabes son piezas particularmente sensibles porque deben responder en terminos de dimensionamiento a imperativos de resistencia mecanica a la rotación y a la carga aerodinamica. El conjunto de estos aspectos hace que estas estructuras sean cargadas estaticamente y que, habida cuenta de los imperativos de duración de vida de servicio, las amplitudes de vibraciones que estas experimentan deban mantenerse pequenas.

Implicando el diseno y la puesta a punto de una turbomaquina la coordinación de varias disciplinas, el proceso de dimensionamiento es iterativo. El dimensionamiento vibratorio es efectuado con el fin de evitar la presencia de modos criticos en el intervalo de funcionamiento. El conjunto es validado al final del ciclo de diseno por un ensayo motor en el cual se miden las amplitudes vibratorias. Aparecen a veces fuertes niveles inducidos, ya sea por rapidas respuestas forzadas, sincronas o asincronas, o bien por inestabilidades. El diseno debe ser revisado entonces, lo que es particularmente largo y costoso.

El objetivo desde el punto de vista industrial es por tanto predecir lo mas pronto posible, en el ciclo de dimensionamiento, los niveles de respuesta vibratorios de las estructuras con el fin de tomar desde el principio del diseno las medidas correctoras que se impongan. En estos ejes, el amortiguamiento mecanico es un reto importante para los disenadores.

El amortiguamiento de las palas de los compresores es un problema particular que conviene tratar con cuidado, siendo estas particularmente sensibles a los fenómenos vibratorios, y esto tanto mas cuanto mayor es su longitud. Este problema es por tanto particularmente agudo con las palas de la primera etapa del compresor de baja presión, sea esta una etapa de turbopropulsor en el que la rueda provista de alabes no esta carenada, una etapa de turborreactor de doble flujo en el que la rueda o « soplante » esta carenada, o bien una rueda no carenada de un motor de helice rapida.

Este es ademas particularmente delicado en el caso de los motores de helices rapidas porque, por una parte, estas son lanzadas dos veces mas que las palas actuales de una soplante, por tanto mas sensibles a los fenómenos de oscilación y, por otra, el hecho de tener dos filas de helices contrarrotatorias produce, debido al efecto de surco de la primera helice en la segunda, solicitaciones en excitación forzada importantes. Se puede encontrar igualmente un acoplamiento entre modos de vibraciones de las dos filas de helices contrarrotatorias a traves de la estructura que las soporta y que puede ser destructivo para el motor. Ademas las helices rapidas, a diferencia de las helices carenadas, son sensibles a las cargas denominadas lP que se crean durante la puesta en incidencia del motor, especialmente durante la puesta en rotación del avión en el despegue. Durante estas fases la pala de una helice rapida no ve la misma incidencia del flujo de aire segun su posición angular y esta por tanto es sometida a una excitación especifica sincrona con el regimen del motor.

La fijación de las palas al disco del compresor queda asegurada clasicamente por conjuntos de tipo unión ensartada, es decir por alveolos abiertos en los cuales se deslizan bulbos que constituyen los pies de las palas. Estos alveolos estan recortados en el disco y presentan paredes de retención sobre las cuales se apoyan las caras correspondientes del pie de la pala.

Se han imaginado dispositivos de reducción de las vibraciones de las palas como, por ejemplo, el descrito en la patente US6102664 de la NASA, que consiste en pegar un material viscoelastico a las caras del pie de la pala que estan en contacto con las paredes de retención de los alveolos del disco. Esta tecnica tiene el inconveniente de necesitar una modificación del procedimiento de fabricación de las palas de soplantes o de helices rapidas y de no estar adaptado a un montaje en reajuste en palas existentes. Esta tiene tambien el inconveniente de tener que cambiar toda la pala en caso de deterioro del dispositivo amortiguador, al contrario de una configuración en la que el dispositivo amortiguador es distinto de la pala como se propone aqui.

Otro procedimiento de la tecnica anterior consiste en introducir un calzo entre la superficie del alveolo y la del bulbo de pie de pala. Un calzo de este tipo, descrito en la patente US 5240375 de la sociedad General Electric Company, se presenta en forma de varias capas metalicas ensambladas en sandwich, con una capa de acero austenitico encerrada entre dos capas de bronce fosforoso de bajo coeficiente de rozamiento. Este pretende sin embargo evitar el desgaste de las piezas en contacto y no tiene un impacto notable sobre la resistencia de las palas a las solicitaciones vibratorias.

En la solicitud de patente EP 2014873 de la solicitante, se describe un calzo con capas rigidas que alternan con capas de material elastico.

La presente invención tiene por objeto la mejora del amortiguamiento vibratorio de los alabes de motores de aviones que son mantenidos en su disco por medio de uniones ensartadas.

A tal efecto, la invención tiene por objeto un dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala y de un pie de pala apto para insertarse en un alveolo de un disco portador de una rueda provista de alabes, siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared de retención del citado alveolo, a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala y el alveolo, comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos, comprendiendo el calzo dos partes, formando cada una un ramal lateral apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retención, estando los dos ramales laterales unidos uno al otro, de modo que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma el fondo de calzo de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales, de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala.

La introducción de un calzo estratificado que comprenda al menos una capa de material viscoelastico y dos capas de materiales rigidos, permite, por la disipación de energia que este genera, aumentar el amortiguamiento de las vibraciones de las palas. Esto permite desplazar los modos de vibración de las palas hacia las frecuencias mas bajas y asi reenviarlos por debajo del regimen de ralenti del motor. El posicionamiento de la parte que forma fondo de calzo, aguas arriba o aguas abajo del pie de pala, permite garantizar que los ramales laterales se situen de modo óptimo en contacto con las paredes de retención, sin una interferencia que podria ser creada por un contacto entre el fondo de calzo y el fondo del alveolo o bien el pie de pala. Se asegura asi que los desplazamientos relativos de las capas que constituyen las paredes laterales no seran perturbados y que asi estas paredes aseguraran su función de amortiguamiento.

De acuerdo con modos de realización preferidos:

- el calzo esta constituido por el ensamblaje de un numero impar de capas superior a 3, sucediendo las capas de materiales viscoelasticos alternativamente a las capas de materiales rigidos y siendo realizadas las capas externas de materiales rigidos.

- las caracteristicas del material viscoelastico varian de una capa a otra.

- las caracteristicas del material rigido varian de una capa a otra.

- el fondo de el calzo forma una sola pieza con una de las capas de materiales rigidos de los ramales laterales.

- el calzo es obtenido a partir de una pieza plana constituida por tres segmentos consecutivos, separados uno de otro por lineas de plegado, estando situado el segmento que forma fondo de calzo entre los dos segmentos que forman los ramales laterales.

La... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala (5) y de un pie de pala (6) apto para insertarse en un alveolo (2) de un disco (1) portador de una rueda provista de alabes, siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared del citado alveolo de retención del citado pie (14a, 14b) a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala (6) y el alveolo (2) , comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo (7) constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos (8, 10) y de materiales viscoelasticos (9) , estando situada al menos una capa (9) de material viscoelastico (9) entre dos capas de materiales rigidos (8, 10) , comprendiendo el calzo (7) dos partes, formando cada una un ramal lateral (7a, 7b) apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retención (14a, 14b) , estando unidos los dos ramales uno al otro de manera que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma fondo de calzo (7c) de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales (7a, 7b) , de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala (6) .

2. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicación 1 en el cual el calzo 7 esta constituido por el ensamblaje de un numero impar de capas superior a 3, sucediendo las capas (9) de materiales viscoelasticos alternativamente a las capas de materiales rigidos y en el cual las capas externas (8, 10) estan realizadas en materiales rigidos.

3. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicación 2 en el cual las caracteristicas del material viscoelastico varian de una capa a otra.

4. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 en el cual las caracteristicas del material rigido varian de una capa a otra.

5. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 en el cual el fondo (7c) del calzo forma una sola pieza con una de las capas de materiales rigidos (8, 10) de los ramales laterales (7a, 7b) .

6. Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicación 5 en el cual el calzo (7) es obtenido a partir de una pieza plana constituida por tres segmentos consecutivos, separados uno de otro por lineas de plegado (11, 12) , estando situado el segmento de fondo de calzo (7c) entre los dos segmentos que forman los ramales laterales (7a, 7b) .

7. Turbomaquina que comprende al menos un disco (1) portador de una rueda provista de alabes, en la cual los pies

(6) de las palas estan insertados en los alveolos (2) del disco (1) por medio de la introducción de un dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.

8. Motor de turbina de gas dotado de una soplante en la cual el disco (1) de la etapa de soplante esta equipado con un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.

9. Motor de helices rapidas en el cual el disco (1) de al menos una de las etapas portadoras de helices no carenadas esta equipado con un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.

 

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