Raíz de pala, pala correspondiente, disco de rotor y conjunto de turbomáquina.

Raíz (1) de pala, particularmente de una pala (2) de turbina, que comprende:

- una pluralidad de pares opuestos de lóbulos (11, 11', 12, 12', 13, 13'), estando dispuesto cada uno del par de lóbulos (11, 11', 12, 12', 13, 13') simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada lóbulo (11, 11', 12, 12', 13, 13') una sección (65, 65', 66, 66', 67, 67') de superficie de lóbulo convexa;

- una pluralidad de pares opuestos de entrantes (21, 21', 22, 22', 23, 23'), estando dispuesto cada uno del par de entrantes (21, 21', 22, 22', 23, 23') simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada entrante (21, 21', 22, 22', 23, 23') una sección (75, 75', 76, 76', 77, 77') de superficie de entrante cóncava;

- una pluralidad de flancos (31, 31', 32, 32', 33, 33'), en los que los lóbulos (11, 11', 12, 12', 13, 13') y los entrantes (21, 21', 22, 22', 23, 23') están dispuestos en orden alternante y cada uno de los flancos (31, 31', 32, 32', 33, 33') está dispuesto entre uno de los lóbulos (11, 11', 12, 12', 13, 13') y uno de los entrantes (21, 21', 22, 22', 23, 23');

- una base (10) de la raíz (1) de pala;

en la que un primer flanco (31) de la pluralidad de flancos (31, 31', 32, 32', 33, 33') orientados en sentido opuesto a la base (10) tiene una primera sección (PS1) de superficie plana, estando ubicada la primera sección (PS1) de superficie plana en un primer plano (PL1); y

en la que la sección (65, 65', 66, 66', 67, 67') de superficie de lóbulo convexa es adyacente a la primera sección (PS1) de superficie plana;

caracterizada porque la primera sección (PS1) de superficie plana es adyacente a una sección (CS1) de superficie convexa y

la sección (75, 75', 76, 76', 77, 77') de superficie de entrante cóncava es adyacente a la sección (CS1) de superficie convexa; y

la sección (CS1) de superficie convexa y una región de la sección (75, 75', 76, 76', 77, 77') de superficie de entrante cóncava contigua a la sección (CS1) de superficie convexa forman un rebaje (UC) local respecto al primer plano (PL1).

RAÍZ DE PALA, PALA CORRESPONDIENTE, DISCO DE ROTOR Y CONJUNTO DE TURBOMÁQUINA

Campo de la invención La presente invención se refiere en general a un diseño de pala de turbomaquinaria y, más específicamente, a un perfil optimizado de una raíz de pala y/o de un disco de rotor.

Antecedentes de la invención Una sección de turbina de una turbina de gas normalmente tiene una pluralidad de filas de álabes estacionarios y palas rotatorias. Las palas de una fila habitualmente son idénticas entre sí e incluyen una parte de perfil aerodinámico, una parte de plataforma y una parte de raíz. Algunas filas de palas pueden incluir adicionalmente una parte de cubierta que evita que escapen gases calientes por la punta de pala. La parte de raíz es la sección hacia el interior más radial de la pala y se usa para montar la pala en una hendidura o ranura de montaje prevista en un disco de rotor. Normalmente, para cada pala de rotor se proporciona una hendidura de montaje correspondiente. Las palas se montan particularmente deslizando axialmente cada parte de raíz al interior de la hendidura correspondiente.

Se conocen palas de turbina que se ajustan a discos de turbina por medio de perfiles en forma de abeto que actúan conjuntamente. Tales métodos de fijación proporcionan una ubicación exacta de la pala con respecto al disco. Los perfiles en forma de abeto son suficientemente fuertes como para resistir las fuerzas radialmente hacia el exterior (centrífugas) impuestas sobre la pala durante la rotación del disco y sus palas unidas en el funcionamiento del motor de turbina en el que está instalado. En funcionamiento, flancos de los perfiles en forma de abeto de las palas que están orientados en sentido opuesto (de manera oblicua) con respecto a un eje de motor y que están en contacto con perfiles en forma de abeto opuestos de las hendiduras, soportan las palas frente al movimiento radialmente hacia el exterior, y pueden considerarse flancos cargados. Los flancos orientados en sentido opuesto a los perfiles pueden considerarse flancos no cargados, puesto que no soportan ninguna fuerza radial significativa en funcionamiento.

La conformación convencional de una raíz en forma de abeto de pala de turbina se define usando líneas rectas y arcos circulares únicamente, cuando se considera una vista en sección de la raíz de pala, definiéndose la vista en sección mediante un plano perpendicular al eje de rotor de la turbina. Una conformación de este tipo está optimizada frente a varias restricciones geométricas y mecánicas.

Los flancos de los perfiles están interconectados mediante regiones de transición que son superficies alternativamente convexas, que habitualmente son arqueadas pero no siempre y se denominan entrantes o cuellos, y superficies cóncavas, que habitualmente son arqueadas pero no siembre y se conocen como esquinas o lóbulos o dientes u orejetas. Los entrantes normalmente son regiones de alta concentración de tensión.

Convencionalmente, pueden formarse perfiles en forma de abeto en raíces de pala de turbina en un procedimiento de rectificado.

La configuración de raíz en forma de abeto básica contiene múltiples trayectorias de carga potenciales, dependiendo la magnitud de las tensiones resultantes en ella de la precisión del ajuste inicial entre la raíz de pala y la hendidura correspondiente en el disco. Estas tensiones se producen durante el funcionamiento producidas por fuerzas centrífugas que afectan a las palas (siendo dependiente la carga centrífuga de la masa de toda la pala) y son especialmente preocupantes en caso de un posible fallo tal como agrietamiento por corrosión por fatiga o tensión. Puede limitarse la vida útil o el número de ciclos de funcionamiento de la pala.

Una raíz puede ser simétrica especularmente de manera sustancial. La raíz comprende un par de cuellos o entrantes más superiores simétricos que se extienden hacia abajo desde una superficie inferior de una plataforma y forman un rebaje en dirección circunferencial, un par de orejetas o lóbulos más superiores que se extienden hacia abajo desde los cuellos más superiores y forman un saliente en dirección circunferencial. Una pluralidad de pares de de cuellos y lóbulos simétricos pueden seguir hacia abajo en orden alternante. La parte de raíz terminará a través de un par de cuellos más inferiores simétricos seguidos por un par de lóbulos más inferiores simétricos. Las superficies del par de lóbulos más inferiores convergirán y se unirán en una ubicación más hacia abajo a través de una superficie arqueada o plana, la base de raíz.

Las publicaciones de patente EP 0431766, GB 2343225, EP 0478234, JP 59113206, DE 3236021, EP 1048821, GB 2380770, EP 0889202, US 5554005, US 2008/0298972, entre otras, muestran diferentes tipos de perfiles de raíz de pala, centrándose sustancialmente todas ellas en las tensiones en diferentes zonas de la raíz de pala, dirigiéndose todas ellas a optimizar la raíz de pala para diferentes tipos de máquinas, para diferentes tamaños de palas y/o para diferentes velocidades de funcionamiento. Todavía es un objetivo reducir el alto nivel de tensiones en los puntos de contacto entre la pala y un disco correspondiente en el que se monta la pala.

Sumario de la invención Este objetivo se logra mediante las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes describen desarrollos y modificaciones ventajosos de la invención.

Según la invención se proporciona una raíz de pala que comprende una pluralidad de lóbulos y entrantes y flancos entremedias, en la que se proporciona un resalte suave entre los flancos y los entrantes para aumentar la distancia hasta un lóbulo correspondiente de un disco de rotor, en el que se inserta una pala con una raíz de pala de este tipo. La invención también se refiere a una pala de rotor que tiene una raíz de pala de este tipo. Además esta característica también puede aplicarse alternativa o adicionalmente a una ranura de disco de rotor de un disco de rotor, de manera que un flanco de la ranura de disco de rotor se fusiona con un entrante del disco de rotor a través de un resalte suave para aumentar la distancia hasta un lóbulo correspondiente de una raíz de pala.

El efecto de un resalte de este tipo (comprendiendo el resalte un radio interno y externo del entrante adyacentes entre sí) , actuando una carga centrífuga de una pala durante el funcionamiento sobre sus radios de entrante interno y externo adyacentes, es inducir una tensión de compresión en el radio externo al final del contacto. Esto ayuda a anular tensiones de tracción que se establecerían por fricción en esta superficie de contacto.

Para definir la invención en más detalle, un aspecto de la invención se refiere a una raíz de pala, particularmente de una pala de turbina, que comprende una pluralidad de pares opuestos de lóbulos, una pluralidad de pares opuestos de entrantes, una base de la raíz de pala y una pluralidad de flancos, en los que los lóbulos y los entrantes están dispuestos en orden alternante y cada uno de los flancos está dispuesto entre uno de los lóbulos y uno de los entrantes. Cada uno del par de lóbulos está dispuesto simétrico especularmente de manera sustancial y cada lóbulo comprende una sección de superficie de lóbulo convexa. Cada uno del par de entrantes está dispuesto simétrico especularmente de manera sustancial y cada entrante comprende una sección de superficie de entrante cóncava. Un primer flanco de la pluralidad de flancos orientados en sentido opuesto a la base tiene una primera sección de superficie plana (es decir una superficie plana, incluso bajo carga cero, y sin protuberancias o hendiduras) . Según la invención, esta primera sección de superficie plana es adyacente a (y/o se transforma en) una sección de superficie convexa. La primera sección de superficie plana es la parte de la raíz de pala que estará en contacto con un flanco de ranura de disco correspondiente durante el funcionamiento debido a la carga centrífuga. La primera sección de superficie plana está ubicada en un primer plano (ficticio) . La sección de superficie de lóbulo convexa es adyacente a (y/o se transforma en) la primera sección de superficie plana. La sección de superficie de entrante cóncava es adyacente a (y/o se transforma en) la sección de superficie convexa. Según la invención, la sección de superficie convexa y una región de la sección de superficie de entrante cóncava contigua a la sección de superficie convexa forman un rebaje local (es decir una muesca, una depresión) respecto al primer plano.

En otras palabras, la sección de superficie convexa y una región de la sección de superficie de entrante cóncava contigua a la sección de superficie convexa... [Seguir leyendo]

1. Raíz (1) de pala, particularmente de una pala (2) de turbina, que comprende:

-una pluralidad de pares opuestos de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) , estando dispuesto cada uno del par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada lóbulo (11, 11, 12, 12, 13, 13) una sección (65, 65, 66, 66, 67, 67) de superficie de lóbulo convexa;

- una pluralidad de pares opuestos de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) , estando dispuesto cada uno del par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada entrante (21, 21, 22, 22, 23, 23) una sección (75, 75, 76, 76, 77, 77) de superficie de entrante cóncava;

- una pluralidad de flancos (31, 31, 32, 32, 33, 33) , en los que los lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) y los entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) están dispuestos en orden alternante y cada uno de los flancos (31, 31, 32, 32, 33, 33) está dispuesto entre uno de los lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) y uno de los entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) ;

- una base (10) de la raíz (1) de pala;

en la que un primer flanco (31) de la pluralidad de flancos (31, 31, 32, 32, 33, 33) orientados en sentido opuesto a la base (10) tiene una primera sección (PS1) de superficie plana, estando ubicada la primera sección (PS1) de superficie plana en un primer plano (PL1) ; y en la que la sección (65, 65, 66, 66, 67, 67) de superficie de lóbulo convexa es adyacente a la primera sección (PS1) de superficie plana;

caracterizada porque la primera sección (PS1) de superficie plana es adyacente a una sección (CS1) de superficie convexa y la sección (75, 75, 76, 76, 77, 77) de superficie de entrante cóncava es adyacente a la sección (CS1) de superficie convexa; y la sección (CS1) de superficie convexa y una región de la sección (75, 75, 76, 76, 77, 77) de superficie de entrante cóncava contigua a la sección (CS1) de superficie convexa forman un rebaje (UC) local respecto al primer plano (PL1) .

2. Raíz (1) de pala según la reivindicación 1, caracterizada porque el rebaje (UC) local está formado de manera que la sección (CS1) de superficie convexa aumenta una distancia ortogonal hasta el primer plano (PL1) en sentido desde su primer extremo (E1) en el que la sección (CS1) de superficie convexa se fusiona con la primera sección (PS1) de superficie plana hasta su segundo extremo (E2) en el que la sección (CS1) de superficie convexa se fusiona con la sección (75, 75, 76, 76, 77, 77) de superficie de entrante cóncava.

3. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la sección (CS1) de superficie convexa se fusiona con la primera sección (PS1) de superficie plana con una transición suave y/o la sección (CS1) de superficie convexa se fusiona con la sección (75, 75, 76, 76, 77, 77) de superficie de entrante cóncava con una transición suave.

4. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque 55 -cada uno del par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) comprende secciones (40, 43, 44) de superficie más distales que definen la distancia (d1, d2) más ancha entre superficies opuestas del par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) , y -la distancia (d1, d2) más ancha entre superficies opuestas del par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) es la más corta para el par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) más próximos a la base (10) y aumenta para cada par de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) con una distancia más grande hasta la base (10) .

5. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque 65 -cada uno del par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) comprende secciones (41) de superficie distante 13

mínimas que definen la distancia más estrecha entre superficies opuestas del par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) , y -la distancia más estrecha entre superficies opuestas del par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) es la 5 más corta para el par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) más próximos a la base (10) y aumenta para cada par de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) con una distancia más grande hasta la base (10) .

6. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un radio (R12) de primer entrante de un primer entrante (23) de la pluralidad de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) está dispuesto en una primera posición más próxima con respecto a la base (10) de la raíz (1) de pala, un radio (R11) de segundo entrante de un segundo entrante (22) de la pluralidad de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) está dispuesto en una segunda posición más distante con respecto a la base (10) de la raíz (1) de pala en comparación con la primera posición, siendo el radio (R12) de primer entrante sustancialmente igual al radio (R11) de segundo entrante.

7. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la pluralidad de pares opuestos de lóbulos (11, 11, 12, 12, 13, 13) y la pluralidad de pares opuestos de entrantes (21, 21, 22, 22, 23, 23) forman sustancialmente dos superficies sin bordes onduladas, siendo las superficies particularmente simétricas a un plano de simetría y progresando particularmente de forma continua alejándose de la base (10) libre de voladizos y libre de superficies perpendiculares al plano de simetría.

8. Raíz (1) de pala según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque

la primera sección (PS1) de superficie plana es plana bajo carga cero y durante el funcionamiento.

9. Pala (2) , particularmente de una turbina, que comprende:

- un perfil (4) aerodinámico;

- una plataforma (3) desde la que el perfil (4) aerodinámico se extiende hacia arriba; y -una raíz (1) de pala configurada según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, extendiéndose la raíz (1) de pala hacia abajo desde la plataforma (3) .

10. Disco (5) de rotor, particularmente para montar palas (2) de turbina, que comprende una pluralidad de ranuras (6) de disco, comprendiendo adicionalmente cada una de la pluralidad de ranuras (6) de disco:

- una pluralidad de pares opuestos de lóbulos (100) de ranura, estando dispuesto cada uno del par de 45 lóbulos (100) de ranura simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada lóbulo (100) de ranura una sección (102) de superficie de lóbulo de ranura convexa;

- una pluralidad de pares opuestos de entrantes (101) de ranura, estando dispuesto cada uno del par de entrantes (101) de ranura simétrico especularmente de manera sustancial y comprendiendo cada entrante (101) de ranura una sección (103) de superficie de entrante de ranura cóncava;

- una pluralidad de flancos (104) de ranura, en los que los lóbulos (100) de ranura y los entrantes (101) de ranura están dispuestos en orden alternante y cada uno de los flancos (104) de ranura está dispuesto entre uno de los lóbulos (100) de ranura y uno de los entrantes (101) de ranura;

-una base (105) de la ranura (6) de disco;

en el que un primer flanco (104) de ranura de la pluralidad de flancos (104) de ranura que se orienta sustancialmente hacia la base (105) tiene una segunda sección (PS2) de superficie plana, estando ubicada la segunda sección (PS2) de superficie plana en un primer plano (PL1) ; y en el que la sección (102) de superficie de lóbulo de ranura convexa es adyacente a la segunda sección (PS2) de superficie plana;

caracterizado porque la segunda sección (PS2) de superficie plana es adyacente a una sección (CS2) de superficie de transición convexa y la sección (103) de superficie de entrante de ranura cóncava es 14

adyacente a la sección (CS2) de superficie de transición convexa; y

la sección (CS2) de superficie de transición convexa y una región de la sección (103) de superficie de

entrante de ranura cóncava contigua a la sección (CS2) de superficie de transición convexa forman un

rebaje (UC) local respecto al primer plano (PL1) .

11. Conjunto de turbomáquina, particularmente para una turbina, que comprende:

- un disco (5) de rotor con una pluralidad de ranuras (6) de disco;

- una pluralidad de palas (2) según la reivindicación 9, insertada cada una en la pluralidad de ranuras (6) de

disco;

en el que las ranuras (6) de disco y las palas (2) están dispuestas de manera que durante el

funcionamiento, las zonas de contacto entre una superficie de las ranuras (6) de disco y una superficie de

las palas (2) están limitadas a la primera sección (PS1) de superficie plana del primer flanco (31) y a

secciones (PS11, PS111) de superficie plana adicionales de otros de la pluralidad de flancos (31, 31, 32,

32, 33, 33) de la raíz (1) de pala.

12. Conjunto de turbomáquina, particularmente para una turbina, que comprende:

- un disco (5) de rotor según la reivindicación 10 con una pluralidad de ranuras (6) de disco;

- una pluralidad de palas (2) , insertada cada una en la pluralidad de ranuras (6) de disco;

en el que las ranuras (6) de disco y las palas (2) están dispuestas de manera que durante el

funcionamiento, las zonas de contacto entre una superficie de las ranuras (6) de disco y una superficie de

las palas (2) están limitadas a la segunda sección (PS2) de superficie plana del primer flanco (104) de

ranura y a secciones de superficie plana adicionales de otros de la pluralidad de flancos (104) de ranura de

la ranura (6) de disco.

13. Conjunto de turbomáquina, particularmente para una turbina, que comprende:

- un disco (5) de rotor según la reivindicación 10 con una pluralidad de ranuras (6) de disco;

- una pluralidad de palas (2) según la reivindicación 9, insertada cada una en la pluralidad de ranuras (6) de

disco;

en el que las ranuras (6) de disco y las palas (2) están dispuestas de manera que durante el

funcionamiento, las zonas de contacto entre una superficie de las ranuras (6) de disco y una superficie de

las palas (2) están limitadas a la primera sección (PS1) de superficie plana del primer flanco (31) , estando

en contacto de apoyo con la segunda sección (PS2) de superficie plana del primer flanco (104) de ranura y

limitadas a las secciones (PS11, PS111) de superficie plana adicionales de otros de la pluralidad de flancos

(31, 31, 32, 32, 33, 33) de la raíz (1) de pala y de otros de la pluralidad de flancos (104) de ranura de la

ranura (6) de disco.