ES2268590T3 - Alabes refrigerados de motor de turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
REIVINDICACIONES 1) Alabe de motor de turbina de gas refrigerada que comprende una pieza (1) de fundición y una camisa longitudinal (30) obtenida por conformación de chapa, comprendiendo la pieza de fundición un cuerpo longitudinal provisto de una cavidad longitudinal (10C) con una primera y una segunda aberturas en sus extremos, montándose la camisa en la cavidad fijándola, mediante soldadura blanda o soldadura fuerte, en la pared de la primera abertura, pudiendo deslizar libremente una parte de extremo (30I) de dicha camisa en la segunda abertura, a modo de corredera (10G), caracterizado porque la parte de extremo (30I) y la corredera (10G) se encuentran en contacto deslizante, una con respecto a otra, a lo largo de superficies conformadas por mecanizado.
Description
Álabes refrigerados de motor de turbina de
gas.
La presente invención se refiere a la
refrigeración de álabes en un motor de turbina de gas, y, en
particular, de álabes de distribuidor de turbina.
Los álabes de distribuidores de turbina en los
turbomotores son recorridos por gases a temperaturas elevadas que
provienen de la cámara de combustión. Con el fin de permitirles
soportar las duras condiciones de funcionamiento a las que son
sometidos, los álabes están provistos de medios de refrigeración de
sus paredes por circulación de aire purgado al nivel del compresor,
por ejemplo. Se trata, en general, de medios de refrigeración por
convección forzada o bien por impacto.
La invención se refiere a los álabes fijos de
distribuidor, huecos y fabricados por fundición de una
superaleación. De acuerdo con esta técnica, el metal es colado en
un molde en torno a un macho, que, una vez retirado, define una
cavidad. Se incorpora un inserto o camisa en esta cavidad con el fin
de regular la circulación del fluido de refrigeración. Un álabe de
este tipo se describe en el documento
US-A-4 288 201.
En la figura 1 se ha representado un álabe de
distribuidor que se utiliza actualmente en ciertos motores
aeronáuticos, por ejemplo, del tipo CFM56. En este caso se trata de
un álabe 1 de distribuidor de baja presión con sus dos plataformas,
una exterior 1E y otra interior 1I, que delimitan el canal anular
por el que circula el gas. Este canal está subdividido,
circunferencialmente, por los álabes 1. Cada álabe 1 está dotado, en
su cavidad central 1C, de una camisa 3 interna con múltiples
perforaciones. En la realización de la figura 1, puede observarse
un conducto central dentro de la propia camisa y una zona de
refrigeración entre la camisa y las paredes del álabe.
La camisa es alimentada con aire de
refrigeración mediante un tubo 5E situado al nivel de la plataforma
exterior y comunicado con una fuente de aire frío, purgado, por
ejemplo, a partir del compresor. Parte del aire admitido atraviesa
las perforaciones de la camisa 3 y es proyectado contra la pared
interna de los álabes como consecuencia de la diferencia de presión
que existe entre el conducto formado por la camisa y su zona
periférica, delimitada por la camisa y la pared interna del álabe.
A continuación, este aire es evacuado en dirección a la vena de
gas, a través de perforaciones calibradas previstas en el borde de
fuga del álabe. El resto del aire, no utilizado en el álabe, es
guiado, mediante un tubo 1L de conexión situado bajo la plataforma
interior 1I, en dirección a otras partes de la máquina a
refrigerar, como el disco de turbina o los apoyos.
La camisa se introduce en el álabe a través de
la abertura prevista al nivel de la plataforma exterior. Dicha
camisa se une con el álabe, en general, mediante soldadura fuerte a
lo largo de la pared de esta primera abertura de la cavidad
central, al nivel de la plataforma exterior. La parte opuesta 3I de
la camisa es guiada en la segunda abertura del álabe, que
constituye una corredera 1G al nivel de la plataforma interior 1I,
con el fin de permitir los desplazamientos relativos entre la
camisa y el álabe. En efecto, el álabe es una pieza de fundición y
la camisa se obtiene, en general, por conformación de una chapa.
Como consecuencia de la diferencia de los materiales y de los modos
de fabricación de las dos piezas que los constituyen, así como de la
diferencia de las temperaturas de funcionamiento, se produce una
diferencia de alargamiento entre el álabe y la camisa. La corredera
garantiza así la estabilidad del conjunto.
Teniendo en cuenta la diferencia entre los modos
de fabricación del distribuidor y de la camisa, la holgura al nivel
de la corredera es relativamente grande. En particular, esta holgura
es consecuencia de la tolerancia de fundición, cuyo valor es
importante, y de la tolerancia de fabricación por conformación de la
camisa. Esta holgura crea una fuga de aire al nivel de la salida de
la camisa, puesto que la presión en la zona de refrigeración por
impacto es diferente a la presión en el canal central a la salida de
la camisa.
En el caso en que la presión en la zona de
refrigeración por impacto sea menor que en el canal central a la
salida de la camisa, la fuga de aire, ilustrada mediante la flecha
F, presenta el primer inconveniente de provocar una sobrepresión en
la zona periférica. Esta sobrepresión es perjudicial para la calidad
de la refrigeración interna del álabe y, más concretamente, al
nivel de la zona del borde de ataque, que es la zona más caliente.
Por otro lado, este aire no participa en la refrigeración del álabe,
ya que es impulsado directamente en dirección a los orificios de
evacuación situados en el borde de fuga.
La solicitante se ha fijado como objetivo
reducir las fugas de aire en la corredera de un álabe refrigerado,
en particular de un álabe de distribuidor, y, más concretamente, de
un álabe de distribuidor de baja presión.
La presente invención consigue este objetivo
mediante un álabe de motor de turbina de gas refrigerada que
comprende una pieza de fundición y una camisa longitudinal obtenida
por conformación de chapa, comprendiendo la pieza de fundición un
cuerpo longitudinal provisto de una cavidad longitudinal con una
primera y una segunda aberturas en los extremos, montándose la
camisa en la cavidad fijándola, mediante soldadura blanda o
soldadura fuerte, en la pared de la primera abertura, pudiendo
deslizar libremente una parte de extremo de dicha camisa en la
segunda abertura, que forma una corredera. El álabe se caracteriza
porque la parte de extremo y la corredera se encuentran en contacto
deslizante, una con respecto a otra, merced a superficies
conformadas por mecanizado.
La invención, en el caso de una conexión
deslizante de este tipo entre una camisa obtenida por conformación
de chapa y una pieza de fundición, presenta la ventaja de sacar
partido de las pequeñas tolerancias de fabricación cuando se
conforman las piezas por mecanizado.
La invención se aplica a los álabes fijos de
distribuidor, y, en particular, a los álabes de distribuidor con
una plataforma en cada extremo del álabe.
Las ventajas que se obtienen en el caso de un
distribuidor de motor de turbina de gas como el mostrado en la
figura 1 son importantes. Una fuga menor significa una disminución
de la sobrepresión en la zona de refrigeración por impacto. La
refrigeración de los álabes se mejora de ese modo y el nivel de
temperatura de los álabes en la zona del borde de ataque se reduce.
Por tanto, se disminuye el riesgo de daño de los álabes por
formación de grietas como consecuencia de solicitaciones térmicas.
El resultado es una mejora de la vida útil del distribuidor, de
baja presión en particular, o a igualdad de vida útil, una
disminución del caudal de ventilación necesario, y, por tanto, una
mejora de las prestaciones o del rendimiento. En particular, las
operaciones de mantenimiento y de reparación se reducen
ventajosamente.
Conforme a otra característica, dicha parte de
extremo de la camisa está unida con un inserto de estanqueidad.
La incorporación de un inserto entre la camisa y
la pared de la abertura presenta la ventaja de evitar las
operaciones de mecanizado en la parte de extremo de la camisa.
Permite, también, ajustar la holgura con mayor precisión.
Conforme a un modo de realización particular, el
inserto de estanqueidad comprende un elemento que hace de rácor con
un tubo de conexión.
La invención tiene por objeto, también, el
procedimiento de fabricación de un álabe, que comprende las etapas
siguientes:
fabricación del cuerpo del álabe, mediante
fundición, con una primera abertura en un extremo y una segunda
abertura en el otro extremo, comprendiendo la segunda abertura una
pared con un engrosamiento de mecanizado,
conformación de una camisa con una parte de
extremo,
mecanizado del engrosamiento de la pared de la
segunda abertura del cuerpo del álabe, de tal manera que la parte
de extremo deslice en la corredera con una holgura determinada,
teniendo en cuenta las tolerancias de mecanizado de la segunda
abertura,
montaje de la camisa en el cuerpo del álabe y
soldadura fuerte o soldadura blanda de la camisa con la pared de la
primera abertura.
Conforme a una característica de la invención,
se dispone un inserto de estanqueidad entre la parte de extremo de
la camisa y la segunda abertura del cuerpo del álabe. En particular,
se posiciona la camisa en el cuerpo del álabe, y, después, el
inserto de estanqueidad, entre la parte de extremo y la segunda
abertura. La pared del inserto de estanqueidad que entra en
contacto con la pared de la abertura se conforma, a su vez, por
mecanizado.
De acuerdo con otra característica, el inserto
de estanqueidad se une, mediante soldadura blanda o soldadura
fuerte, con la parte de extremo de la camisa.
Otras características y ventajas de la presente
invención se pondrán de manifiesto a partir de la descripción hecha
en lo que sigue, con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran
dos modos de realización, no limitativos, de la invención.
La figura 1 es una vista, en perspectiva, de un
álabe de distribuidor de turbina de la técnica anterior.
La figura 2 es una vista, en corte, de un álabe
de distribuidor conforme a la invención.
La figura 3 es un corte por el plano
III-III de la figura 2.
Las figuras 4 y 5 son representaciones
esquemáticas del álabe durante su fabricación.
La figura 6 representa otro modo de realización
de la invención.
Como puede verse en la figura 1, el conjunto de
la técnica anterior, que comprende el cuerpo longitudinal 1 del
álabe y las plataformas exterior 1E e interior 1I, constituye una
única pieza de fundición. Se observa que el tubo 1L de conexión, en
el que desemboca la cavidad del álabe, es enterizo con la pieza de
fundición, y, en particular, con la plataforma interior 1L. En
consecuencia, la corredera 1G, de acuerdo con esta disposición de
los componentes del álabe, es inaccesible a partir de la plataforma
interior. Solamente puede conformarse merced a un procedimiento de
fundición. La camisa 2, a su vez, se obtiene a partir de una chapa
conformada de modo apropiado. Las tolerancias de fabricación dan
lugar a la existencia de una holgura no despreciable entre la parte
3I de extremo de la camisa 3 y la corredera 1G formada por el
segundo extremo de la cavidad interna del álabe. Para remediarlo,
está previsto, de acuerdo con la invención, conformar la corredera
por mecanizado.
En la figura 2 se ha representado la parte de un
álabe fijo de distribuidor situada junto a su plataforma interior.
Dicha parte comprende un medio de conexión de la parte de extremo de
la camisa con la corredera conforme a la invención. La camisa 30
está insertada en la cavidad central 10C del álabe 10. La parte de
extremo 30I de la camisa está alojada en la abertura a modo de
corredera 10G del álabe, prevista al nivel de la plataforma
interior 10I. De acuerdo con este modo de realización preferido,
está previsto un inserto 30S de estanqueidad entre la parte de
extremo 30I de la camisa 30 y la corredera 10G. Como puede verse en
la figura 3, el inserto de estanqueidad tiene forma sensiblemente
trapezoidal. Está conformado de modo que se adapte a la corredera
10G con una holgura determinada en su contorno. Esta holgura tiene
en cuenta la dilatación de las piezas durante las diferentes fases
de funcionamiento. El inserto está perforado, con el fin de recibir
la parte de extremo con la que se une mediante soldadura fuerte o
soldadura blanda. El aire de refrigeración circula por la camisa a
partir de la primera abertura. Parte de este aire atraviesa la pared
de la camisa a través de orificios calibrados, con el fin de
refrigerar por impacto la pared interna del álabe. El resto de este
flujo de aire es evacuado a través de la parte de extremo de la
camisa en dirección a otras zonas a refrigerar de la máquina. Los
medios de guiado de este aire no se han representado.
El montaje de la camisa se efectúa de la manera
siguiente. Se introduce la camisa a través de la primera abertura
del álabe prevista al nivel de la plataforma exterior, no visible en
la figura 2. Se inserta la camisa en la cavidad del álabe hasta que
la parte 30I de la camisa aflore por la abertura interior a modo de
corredera 10G. Se observa que la cara de la plataforma 10I opuesta
a la vena de gas permite el libre acceso. Se introduce el inserto
por este lado, se le hace deslizar a lo largo de la parte de extremo
30I y se le mantiene en la posición mostrada en la figura 2. Se
termina la operación mediante la soldadura blanda o la soldadura
fuerte del inserto con la camisa. Ventajosamente, se procede, de
modo simultáneo, a la soldadura fuerte de la camisa, por su otro
extremo, con las paredes de la primera abertura, al nivel de la
plataforma exterior.
Con el fin de poder montar la camisa con este
inserto de estanqueidad en la corredera, se fabrican las piezas de
la manera siguiente.
Durante la etapa de fundición, en la que se
cuela el metal en un molde con la forma cóncava de la pieza, se
utiliza un macho que corresponda a la cavidad del cuerpo del álabe.
Este macho 100 se representa, esquemáticamente, en la figura 4.
Presenta una parte 100G que sobresale en relación con el cuerpo 100C
correspondiente a la cavidad del álabe. El metal fundido se cuela
en torno al macho y entre las otras paredes del molde, no
representadas. La parte saliente 100G se dimensiona de tal manera
que la pieza, una vez desmoldeada, presente un engrosamiento
denominado de mecanizado, que se elimina luego mediante una
operación de mecanizado. En la figura 5 se ha representado la misma
parte del álabe a la salida de la fundición. El macho ha sido
eliminado. La abertura 10G de salida de fundición presenta una
dimensión L_{u}. En la etapa siguiente se procede a la
eliminación, en el contorno de la abertura, de cierta cantidad de
material por mecanizado mediante un útil apropiado, hasta obtener
la dimensión L requerida. El grosor del material eliminado por
mecanizado se denomina grosor de mecanizado. Merced a los medios
actuales de mecanizado, la tolerancia de fabricación puede ser del
orden de +/-0,025 mm. Es muy inferior a la dispersión dimensional
de salida de fundición o bien de conformación.
La camisa, por otro lado, se fabrica por
conformación de una chapa mediante una prensa, y el inserto se hace
con un alojamiento, para recibir el extremo de la camisa.
Merced a este modo de fabricación de las piezas,
se ha podido determinar que se reducen, sensiblemente, las fugas de
aire de refrigeración.
Así, el mecanizado de la abertura a modo de
corredera permite conseguir una dispersión dimensional limitada a
+/-0,025 mm, en lugar de +/-0,075 mm, de salida de fundición. En lo
que se refiere al inserto, al estar obturado el alojamiento de la
camisa merced a la soldadura fuerte o la soldadura blanda, no se
produce fuga alguna a este nivel. Al mecanizarse su superficie
lateral, la tolerancia de fabricación es, también, del orden de
+/-0,025 mm. Esta tolerancia es inferior a la del extremo de la
camisa, fabricada por conformación. La dispersión dimensional en
este último caso es, habitualmente, de +/-0,1 mm.
Se consigue así controlar mejor la holgura en la
zona de guiado y las consiguientes fugas. Por ejemplo, para un
álabe de la técnica anterior, tal como se representa en la figura 1,
con una holgura de valor nominal X, se tiene, en realidad, un valor
X+/-0,175 mm. El caudal de fuga es Y. Mediante la solución de la
invención, se ha determinado que podía reducirse la holgura X en un
15%, siendo la tolerancia de fabricación de +/-0,05 mm. Resulta una
disminución del 80% del caudal Y de fuga. A partir de esta reducción
del 80% del caudal de fuga, se ha estimado que la temperatura del
borde de ataque del álabe se reducía en 25ºC. De ese modo se aumenta
la vida útil de dicho álabe.
En la figura 6 se ha representado un segundo
modo de realización del inserto de estanqueidad. El inserto 30'S
está compuesto por una primera parte 30'S1, que constituye el
elemento de estanqueidad entre la parte de extremo 30I de la camisa
y la abertura a modo de corredera 10G del álabe. El inserto
comprende una segunda parte 30'S2, que prolonga la primera. Esta
parte tiene la función de unir el canal de la camisa con un tubo TL
de conexión, para el guiado del aire de refrigeración en dirección
a las otras partes del motor que se encuentren en el espacio
interior delimitado por las plataformas interiores. Este elemento,
en particular, tiene sección circular.
Esta solución presenta un interés particular si
se desea modificar los álabes fijos de la técnica anterior, del
tipo representado en la figura 1, con el fin de dotarles de la
solución de la invención. Para la modificación, y una vez separada
la camisa de la pieza de fundición, se empieza eliminando por
mecanizado la parte de la plataforma interior del álabe fijo que
comprende el tubo de conexión. Una vez retirado el tubo de conexión,
se mecaniza la plataforma interior al nivel de la corredera. Se
conforma la abertura de manera que se obtenga un alojamiento
calibrado para el inserto, que se fabrica por otro lado.
En la pieza de fundición configurada de ese modo
puede volverse a montar la camisa, que se hace deslizar en la
cavidad del álabe a partir de la primera abertura, al nivel de la
plataforma exterior, que ha sido desbloqueada. Cuando la camisa
esté en posición en el alojamiento de la corredera, se introduce el
inserto en la parte de extremo, por la segunda abertura, y se
procede a la soldadura fuerte o la soldadura blanda de acuerdo con
la técnica deseada para el inserto en la parte de extremo.
La descripción de los modos de realización que
precede no limita la invención al posicionamiento de un inserto de
estanqueidad entre la parte de extremo y la abertura a modo de
corredera. La invención comprende, también, una realización en la
que la parte de extremo esté conformada de manera que pueda
mecanizarse y estar en contacto deslizante con la pared mecanizada
de la corredera.
Claims (9)
1. Alabe de motor de turbina de gas refrigerada
que comprende una pieza (1) de fundición y una camisa longitudinal
(30) obtenida por conformación de chapa, comprendiendo la pieza de
fundición un cuerpo longitudinal provisto de una cavidad
longitudinal (10C) con una primera y una segunda aberturas en sus
extremos, montándose la camisa en la cavidad fijándola, mediante
soldadura blanda o soldadura fuerte, en la pared de la primera
abertura, pudiendo deslizar libremente una parte de extremo (30I)
de dicha camisa en la segunda abertura, a modo de corredera (10G),
caracterizado porque la parte de extremo (30I) y la corredera
(10G) se encuentran en contacto deslizante, una con respecto a
otra, a lo largo de superficies conformadas por mecanizado.
2. Alabe según la reivindicación 1, que
constituye un álabe fijo de distribuidor.
3. Alabe según la reivindicación 2, que
constituye un álabe fijo de distribuidor con una plataforma (10E,
10I) en cada extremo del cuerpo del álabe.
4. Alabe según una de las reivindicaciones 1 a
3, en el que la camisa (30) es solidaria con un inserto (30S) de
estanqueidad interpuesto entre la parte de extremo (30I) y la pared
de la abertura a modo de corredera (10G).
5. Alabe según la reivindicación 4, en el que el
inserto de estanqueidad (30S) comprende una parte (30'S2) que hace
de rácor con un tubo de conexión (TL).
6. Procedimiento de fabricación de un álabe
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, que comprende las
etapas siguientes:
fabricación del cuerpo del álabe, mediante
fundición, con una primera abertura en un extremo y una segunda
abertura en el extremo opuesto, comprendiendo la segunda abertura
(10G) una pared con un engrosamiento de mecanizado;
conformación de una camisa (30) con una parte de
extremo (30I),
mecanizado del engrosamiento de la pared de la
segunda abertura (10G) del cuerpo del álabe y de tal manera que la
parte de extremo deslice en la corredera con una holgura
determinada, teniendo en cuenta la tolerancia de mecanizado,
montaje de la camisa (30) en el cuerpo del álabe
y soldadura fuerte o soldadura blanda de la camisa con la pared de
la primera abertura.
7. Procedimiento según la reivindicación
precedente, por el que se dispone un inserto de estanqueidad (30S)
entre la parte de extremo (30I) de la camisa y la pared de la
segunda abertura del cuerpo del álabe.
8. Procedimiento según la reivindicación
precedente, por el que se posiciona la camisa (30) en el cuerpo del
álabe, y, después, el inserto de estanqueidad (30S) entre la parte
de extremo y la pared de la segunda abertura.
9. Procedimiento según la reivindicación
precedente, por el que se une el inserto de estanqueidad, mediante
soldadura blanda o soldadura fuerte, con la parte de extremo de la
camisa.
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