Rodete de turbina con palas desajustadas que incluye un dispositivo de amortiguación.

Rodete de turbina (10) que comprende:

- una pluralidad de primeras palas (20) y una pluralidad de segundas palas (22),

siendo al menos una de las primeras palas adyacente a al menos una de las segundas palas,

- un disco (12), que presenta un eje de giro, en una periferia (14) del cual van montadas las palas, teniendo cada una de las palas una cabeza (20a, 22a) solidaria de una raíz (20b, 22b) engarzada en un alojamiento (16) que se abre a la periferia (14) del disco, incluyendo cada una de las palas una guía de posicionamiento (60, 62) constituida por una tableta (20e, 22e) dispuesta entre la cabeza y la raíz de dicha pala, presentando las tabletas (20e) de las primeras palas (20) una longitud acimutal (L1) diferente de la longitud acimutal (L2) de las tabletas (22e) de las segundas palas (22);

- un dispositivo de amortiguación (30) dispuesto al menos entre dichas dos palas adyacentes, estando dispuesto dicho dispositivo de amortiguación entre las tabletas (20e, 22e) de las palas (20, 22) y la periferia del disco (12);

siendo la masa de las segundas palas del rodete de turbina (10) inferior a la masa de las primeras palas, siendo la masa de las raíces (22b) de las segundas palas (22) inferior a la masa de las raíces (20b) de las primeras palas (20), en tanto que los perfiles de las cabezas (20a, 22a) de las palas primeras y segundas son idénticos, por lo cual la frecuencia de resonancia de las primeras palas es diferente de la frecuencia de resonancia de las segundas palas, y hallándose las palas primeras y segundas del rodete de turbina (10) distribuidas angularmente según la periferia (14) del disco de tal manera que el centro de gravedad (G) del rodete de turbina (10) está situado en el eje de giro del disco, difiriendo las segundas palas (22) de las primeras palas (20) en que las raíces (22b) de las segundas palas presentan localmente un espesor acimutal (E2) inferior al espesor acimutal (E1) de las raíces (20b) de las primeras palas (20), presentando cada una de las raíces de las palas primeras y segundas un poste (20d, 22d) y un amarre (20c 22c), extendiéndose la cabeza radialmente desde el poste, en tanto que el amarre está destinado a ser montado dentro del alojamiento (16), siendo el espesor acimutal (E2) de los postes (22d) de las segundas palas (22) inferior al espesor acimutal (E1) de los postes de las primeras palas, de manera tal que las segundas palas (22) están dimensionadas para romperse antes que las primeras palas (20) en caso de que el rodete de turbina acuse una sobrevelocidad.

Rodete de turbina con palas desajustadas que incluye un dispositivo de amortiguación

La presente invención se refiere al campo de los rodetes de palas que se encuentran en particular, aunque no exclusivamente, en las turbomáquinas, como son las turbinas de gas. Por ejemplo, se puede encontrar un rodete de este tipo en una turbina de alta presión o en una turbina libre.

Más en particular, la presente invención se refiere a un rodete de turbina que comprende: una pluralidad de palas;

un disco, que presenta un eje de giro, con una periferia en la que van montadas las palas, teniendo cada una de las palas una cabeza solidaria de una raíz engarzada en un alojamiento que se abre a la periferia del disco.

Es bien sabido que, en su funcionamiento, en particular en el seno de un turbomotor, los rodetes de turbina se ven sometidos a notables variaciones de fuerzas de excitaciones vibratorias.

En determinadas circunstancias, estas excitaciones vibratorias pueden acarrear vibraciones considerables y nefastas que conducen a la ruptura del rodete de turbina. En efecto, si las excitaciones vibratorias hacen que el rodete de turbina entre en resonancia, es decir, si la frecuencia de las excitaciones vibratorias se concuerda con la frecuencia de resonancia del rodete de turbina y si la deformación modal del rodete es excitable por las fuerzas de excitaciones vibratorias actuantes sobre el rodete, este último presentará una amplitud vibratoria muy importante que acarrea una fatiga mecánica del material del rodete y, al extremo, su destrucción.

Una solución técnica podría ser la de reforzar la solidez mecánica del rodete de turbina para que pueda resistir mejor a las vibraciones.

Sin embargo, tal solución no es aceptable, especialmente cuando el rodete de turbina está destinado a ser montado en una turbomáquina.

En efecto, en el diseño de una turbomáquina, los objetivos tan restrictivos de rendimiento, de consumo o de masa de la turbomáquina, los objetivos de inercia de los rotores que permiten aceleraciones suficientes y los objetivos de cumplimiento de las especificaciones reglamentarias o de fiabilidad conllevan múltiples imposiciones de diseño que en ocasiones reducen los márgenes de maniobra en cuanto a mejora de la solidez mecánica.

Entre las especificaciones técnicas, por ejemplo, es una imposición de diseño el que las palas deban romperse antes que el disco si el rodete de turbina acusa una sobrevelocidad para limitar la energía de los eventuales restos, frenar el rotor y proteger los demás elementos de la línea de transmisión. Esta situación tiene lugar, por ejemplo, cuando se rompe una pieza de la línea de transmisión de la turbomáquina a tal punto que un rodete de turbina relacionado con esa línea de transmisión ya no presenta par de giro resistente. En tal caso, se comprende que el rodete de turbina puede girar entonces a una velocidad muy grande, se dice entonces que acusa una sobrevelocidad. Para evitar que el rodete de turbina estalle o que gire aún más deprisa, lo cual dañaría en gran manera la turbomáquina, y suprimir el par de giro de arrastre, se dimensionan las palas para que se rompan a una velocidad de giro dada que es inferior a la velocidad a la que se rompería el rodete de turbina.

Se comprende pues que el diseño de un rodete de turbina obedece a objetivos contradictorios y que se debe encontrar un compromiso.

Para dar respuesta a un problema de resonancia vibratoria, ya se conoce utilizar, por ejemplo, amortiguadores que se disponen entre las palas o entre palas y disco. Sin embargo, su utilización puede ser muy costosa, ya que su efecto tan sólo puede comprobarse de manera tardía, en el proceso de diseño, mediante ensayos del motor. El problema de resonancia vibratoria resta íntegramente si esos amortiguadores no son suficientes para desplazar la resonancia fuera del campo de funcionamiento en el que la excitación vibratoria es nefasta, o si esos amortiguadores no permiten reducir en modo suficiente las amplitudes vibratorias. Los talones de las palas u otros sistemas amortiguadores también pueden desempeñar una función equivalente por mediación de los contactos que establecen entre palas adyacentes. Para dar respuesta a un problema de vibraciones también se han propuesto soluciones por los documentos EP 635623, US 24/21924 y US 25/249586.

Es un propósito de la presente invención proponer un rodete de turbina que presenta una buena tolerancia a las excitaciones vibratorias, al tiempo que cumple, sin dificultades añadidas, el conjunto de las demás imposiciones de diseño, incluyendo por ejemplo la imposición por la que las palas son dimensionadas para romperse antes que el disco.

La invención logra su propósito por el hecho de que el rodete de turbina según la invención incluye:

una pluralidad de primeras palas y una pluralidad de segundas palas, siendo al menos una de las primeras palas adyacente a al menos una de las segundas palas,

un disco que presenta un eje de giro, en una periferia del cual van montadas las palas, teniendo cada una de las palas una cabeza solidaria de una raíz engarzada en un alojamiento que se abre a la periferia del disco, incluyendo cada una de las palas una guía de posicionamiento constituida por una tableta dispuesta entre la cabeza y la raíz de dicha pala, presentando las tabletas de las primeras palas una longitud acimutal diferente de la longitud acimutal de las tabletas de las segundas palas;

adicionalmente, un dispositivo de amortiguación dispuesto al menos entre dichas dos palas adyacentes, estando dispuesto dicho dispositivo de amortiguación entre las tabletas de las palas y la periferia del disco;

siendo la masa de las segundas palas del rodete de turbina inferior a la masa de las primeras palas, siendo la masa de las raíces de las segundas palas inferior a la masa de las raíces de las primeras palas, en tanto que los perfiles de las cabezas de las palas primeras y segundas son idénticos, por lo cual la frecuencia de resonancia de las primeras palas es diferente de la frecuencia de resonancia de las segundas palas, y hallándose las palas primeras y segundas del rodete de turbina distribuidas angularmente según la periferia del disco de tal manera que el centro de gravedad del rodete de turbina está situado en el eje de giro del disco, difiriendo las segundas palas de las primeras palas en que las raíces de las segundas palas presentan localmente un espesor acimutal inferior al espesor acimutal de las raíces de las primeras palas, presentando cada una de las raíces de las palas primeras y segundas un poste y un amarre, extendiéndose la cabeza radialmente desde el poste, en tanto que el amarre está destinado a ser montado dentro del alojamiento, siendo el espesor acimutal de los postes de las segundas palas inferior al espesor acimutal de los postes de las primeras palas, de manera tal que las segundas palas están dimensionadas para romperse antes que las primeras palas en caso de que el rodete de turbina acuse una sobrevelocidad.

Los autores de la presente invención han observado que la utilización de al menos dos tipos de palas que tienen distintas frecuencias de resonancia permite reforzar muy ventajosamente la eficacia del dispositivo de amortiguación.

En la medida en que las primeras palas presenten una frecuencia de resonancia diferente de la propia de las segundas palas, las resonancias del rodete de turbina se ven modificadas con deformaciones vibratorias en las resonancias que presentan amplitudes muy diferentes entre palas adyacentes. Este efecto se denomina desajuste.

Además, los autores de la presente invención han observado que el dispositivo de amortiguación, cuya función es reducir las amplitudes vibratorias de las palas, introducido entre palas adyacentes es tanto más eficaz cuanto más grandes son los desplazamientos relativos entre esas palas adyacentes. Cuanto más se mejore esta eficacia, más se reducirán las amplitudes vibratorias o más se desfasarán las resonancias hacia otras frecuencias y, por consiguiente, otras velocidades de funcionamiento de la turbina. Este desfase permite, en un caso óptimo, disminuir el riesgo de que el rodete de turbina entre en resonancia desplazando las frecuencias de resonancia del rodete fuera de la banda de frecuencias de excitación vibratoria nefasta del rodete. Así resulta que, en virtud de la invención, el rodete de turbina puede, por una parte, ser menos propenso a entrar en resonancia y, por otra, tener reducidas amplitudes vibratorias admisibles por el material, el cual no se verá desgastado significativamente o dañado a fatiga por las vibraciones.

Se podrían escoger asimismo palas que tienen distribuciones másicas diferentes.

Preferentemente, el dispositivo... [Seguir leyendo]

1. Rodete de turbina (1) que comprende:

una pluralidad de primeras palas (2) y una pluralidad de segundas palas (22), siendo al menos una de las primeras palas adyacente a al menos una de las segundas palas,

un disco (12), que presenta un eje de giro, en una periferia (14) del cual van montadas las palas, teniendo cada una de las palas una cabeza (2a, 22a) solidarla de una raíz (2b, 22b) engarzada en un alojamiento (16) que se abre a la periferia (14) del disco, incluyendo cada una de las palas una guía de poslclonamlento (6, 62) constituida por una tableta (2e, 22e) dispuesta entre la cabeza y la raíz de dicha pala, presentando las tabletas (2e) de las primeras palas (2) una longitud acimutal (L1) diferente de la longitud acimutal (L2) de las tabletas (22e) de las segundas palas (22);

un dispositivo de amortiguación (3) dispuesto al menos entre dichas dos palas adyacentes, estando dispuesto dicho dispositivo de amortiguación entre las tabletas (2e, 22e) de las palas (2, 22) y la periferia del disco (12);

siendo la masa de las segundas palas del rodete de turbina (1) Inferior a la masa de las primeras palas, siendo la masa de las raíces (22b) de las segundas palas (22) inferior a la masa de las raíces (2b) de las primeras palas (2), en tanto que los perfiles de las cabezas (2a, 22a) de las palas primeras y segundas son Idénticos, por lo cual la frecuencia de resonancia de las primeras palas es diferente de la frecuencia de resonancia de las segundas palas, y

hallándose las palas primeras y segundas del rodete de turbina (1) distribuidas angularmente según la periferia (14) del disco de tal manera que el centro de gravedad (G) del rodete de turbina (1) está situado en el eje de giro del disco, difiriendo las segundas palas (22) de las primeras palas (2) en que las raíces (22b) de las segundas palas presentan localmente un espesor acimutal (E2) inferior al espesor acimutal (E1) de las raíces (2b) de las primeras palas (2), presentando cada una de las raíces de las palas primeras y segundas un poste (2d, 22d) y un amarre (2c 22c), extendiéndose la cabeza radialmente desde el poste, en tanto que el amarre está destinado a ser montado dentro del alojamiento (16), siendo el espesor acimutal (E2) de los postes (22d) de las segundas palas (22) inferior al espesor acimutal (E1) de los postes de las primeras palas, de manera tal que las segundas palas (22) están dimensionadas para romperse antes que las primeras palas (2) en caso de que el rodete de turbina acuse una sobrevelocldad.

2. Rodete de turbina según la reivindicación 1, caracterizado por que los amarres (2c, 22c) presentan la forma de la base de un abeto.

3. Rodete de turbina según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que los amarres (2c) de las primeras palas (2) son idénticos a los amarres (22c) de las segundas palas (22).

4. Rodete de turbina según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que las palas primeras y segundas (2, 22) van dispuestas alternativamente según la periferia (14) del disco (12).

5. Turbomáquina (1) que incluye al menos un rodete de turbina (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.