ES2293506T3 - Soporte de cojinete de doble rigidez. - Google Patents
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Abstract
Un soporte (11, 12) de cojinete (14) para un motor rotatorio, tal como un motor de turbina de gas, con un árbol (15) que gira soportado por al menos un cojinete (14) y un bastidor (10), que puede funcionar según al menos dos regímenes de funcionamiento diferentes y que consta al menos de una estructura mecánica portadora (12) de baja rigidez y de una estructura mecánica portadora (11) de alta rigidez combinadas para soportar el cojinete (14) de acuerdo con una o la otra de estas rigideces, caracterizado por el hecho de que comprende medios de accionamiento activados en función del régimen, dispuestos para hacer la estructura portadora (12) de baja rigidez solidaria de la estructura portadora (11) de alta rigidez cuando el motor funciona según un régimen (f) inferior a una frecuencia de rotación (fp) determinada y desolidarizar dicha estructura portadora (12) de la estructura portadora (11) de alta rigidez cuando el motor funciona según un régimen (f) superior a la frecuencia de rotación (fp).
Description
Soporte de cojinete de doble rigidez.
El invento se refiere a soporte de cojinetes de
árboles de motores rotatorios. Se refiere en particular a los
motores de turbina de gas.
Actualmente, los cojinetes de árboles de
motores, bien sean de rodamientos, de aceite o de gas, y las
estructuras tienen una duración de vida fuertemente condicionada
por las características vibratorias del conjunto del motor: su
bastidor, el árbol de transmisión, los cojinetes y sus soportes.
Las fuentes principales de excitación vibratoria
provienen del desequilibrio mecánico del árbol motor, siempre
presente debido a las imperfecciones de realización. Por lo tanto,
las principales frecuencias de vibración sufridas por el conjunto
motor están próximas a la frecuencia de rotación del motor.
Cuanto más importante es la respuesta vibratoria
de cada una de las partes de este conjunto mencionadas
anteriormente, más solicitados son los cojinetes y los elementos de
la estructura, se fatigan, y más su duración de vida se ve
abreviada.
Además, estas vibraciones inducen perturbaciones
sonoras muy importantes.
Uno de los medios para reducir la amplitud de
estas vibraciones consiste en prever soportes de cojinete dispuestos
para adaptar la frecuencia de resonancia frente a la frecuencia de
rotación. Por ejemplo, los soportes de cojinete son concebidos para
que su frecuencia de resonancia principal esté muy alejada de la
frecuencia de rotación correspondiente al régimen de funcionamiento
del motor.
Pero, en ciertos casos, un motor puede ser
utilizado según regímenes diferentes, por ejemplo según dos
regímenes, a baja velocidad y a velocidad elevada.
Por lo tanto se han podido proponer diversas
soluciones.
Por ejemplo, el documento US5433584 describe un
soporte para dos cojinetes que soportan un árbol en sus dos
extremos, estando el soporte dispuesto para presentar una rigidez
diferente sobre cada uno de los dos cojinetes, permitiendo la
combinación de los dos limitar las vibraciones a régimen normal de
funcionamiento por uno de sus cojinetes y encajar un desequilibrio
anormal u otro evento imprevisto del mismo tipo por el otro.
Esta solución no es satisfactoria, estando uno u
otro de los dos cojinetes sometidos, relativamente al problema
planteado anteriormente, a un nivel vibratorio anormal.
Los documentos US5110257 Y FR2439331 proponen
una solución que pone en aplicación un amortiguamiento viscoso,
siendo el fluido activado en función del régimen del motor, para
modificar el amortiguamiento del soporte durante el funcionamiento
del motor, adaptar por lo tanto la respuesta vibratoria del conjunto
en régimen de funcionamiento en curso, evitando el inconveniente
anterior.
Esta solución es compleja, ya que necesita el
uso de un fluido del cual hay que controlar su presencia por un
aparato hidráulico específico, y está limitado además a un
amortiguamiento viscoso.
El documento WO 98/54443 A1 describe un soporte
de cojinete de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
El solicitante propone, conforme al invento, un
soporte de cojinete para un motor rotatorio, tal como un motor de
turbina de gas, con un árbol giratorio soportado por al menos un
cojinete y un bastidor, pudiendo funcionar de acuerdo con al menos
dos regímenes de funcionamiento diferentes y que comprende al menos
una estructura mecánica portadora de baja rigidez y una estructura
portadora de alta rigidez combinadas para soportar el cojinete de
acuerdo con una u otra de estas rigideces, caracterizado por el
hecho de que comprende medios de accionamiento activados o mandados
en función del régimen, dispuestos para hacer la estructura
portadora de baja rigidez solidaria de la estructura portadora de
alta rigidez cuando el motor funciona a un régimen inferior a una
frecuencia de rotación determinada y desolidarizar dicha estructura
portadora de la estructura portadora de alta rigidez cuando el
motor funciona según un régimen superior a la frecuencia de
rotación.
La utilización de estructuras mecánicas evita la
presencia de cualquier aparato hidráulico, pudiendo las fuerzas de
rigidez así introducidas oponerse directamente a las fuerzas de
excitación generadas por el desequilibro del árbol del motor.
La estructura portadora de baja rigidez soporta
el cojinete y la estructura portadora de alta rigidez soporta la
estructura portadora de baja rigidez cuando el motor funciona según
uno de los dos regímenes, por ejemplo las bajas velocidades de
rotación del motor, para oponerse al desequilibrio del árbol.
El soporte de cojinete está dispuesto para
desolidarizar la estructura portadora de rigidez alta de la
estructura portadora de rigidez baja cuando el motor funciona de
acuerdo con el otro de los dos regímenes, por ejemplo de
velocidades de rotación elevadas del motor, filtrando la estructura
de baja rigidez la excitación de vibración generada por el
desequilibro del árbol.
Ventajosamente, la estructura portadora de
rigidez baja tiene forma de jaula de ardilla para hacerla más
ligera.
De acuerdo con otra característica, el soporte
para motor que puede funcionar de acuerdo con al menos tres
regímenes de funcionamiento diferentes, consta al menos de tres
estructuras mecánicas portadoras de rigideces diferentes combinadas
para soportar el cojinete según una u otra de estas rigideces.
El invento se dirige también al sistema auxiliar
para el control de los medios de accionamiento de una estructura en
relación con la otra, activando dichos medios en función del régimen
del árbol o del nivel vibratorio a través de los ordenadores de
control del motor y/o del avión sobre el que se monte el motor.
El invento se comprenderá mejor con ayuda de la
descripción siguiente del soporte de cojinete de acuerdo con una
forma preferida de realización del invento y del dibujo anexo, en el
que:
- la figura 1 representa un diagrama de
frecuencias de las respuestas de la estructura portadora bajo una
excitación de vibración del rotor del motor;
- las figuras 2A y 2B representan vistas en
corte longitudinal y en sección del cojinete y de su soporte, de
acuerdo con el invento, siendo las estructuras portadoras
solidarias; y
- las figuras 3A y 3B representan vistas en
corte longitudinal y en sección del cojinete y de su soporte, de
acuerdo con el invento, estando las estructuras portadoras
desolidarizadas.
Con referencia a las figuras 2A y 2B, estando
una en corte de acuerdo con la letra, A o B, indicada sobre la
otra, el motor rotatorio consta de un bastidor 10 y de un árbol 15,
que gira alrededor del eje O del motor cuando funciona.
El árbol es mantenido por el cojinete 14, aquí
de rodamiento de bolas, y un soporte de cojinete 14 compuesto de
dos estructuras portadoras axiales, una externa 11 que rodea la otra
interna 12. Las dos son de forma principalmente cónica hacia el
bastidor 10. La estructura interna 12 del soporte es cilíndrica en
la proximidad del cojinete 14, de manera que las dos estructuras se
combinan bien tanto a nivel del bastidor 10 como del cojinete 14,
como se explica a continuación.
La estructura portadora interna 12 es solidaria
del bastidor 10 y del cojinete 14. Es fija, de rigidez baja o
flexible.
Eventualmente, para hacerla más flexible, puede
estar prevista en dicha forma de jaula de ardilla 13.
La estructura portadora externa 11 es
sensiblemente más rígida, que la estructura interna y puede para
ello estar nervada en su superficie interna. Los nervios no están
representados.
Las características vibratorias de estas
estructuras portadoras son esquematizadas en el diagrama de
espectros de sus respuestas en frecuencia de la figura 1. Resultan
de sus rigideces respectivas y su explotación en el dispositivo
aquí descrito se explicará más adelante.
Esta última estructura 11, en su extremo próximo
al bastidor 10, está montada deslizante en rotación sobre este
último y sobre la estructura portadora flexible 12. Puede girar
alrededor del eje O, en los dos sentidos de rotación, bajo la
acción de un mando mecánico, o bien manual, o bien eléctrico, por
medios apropiados clásicos, no representados, conocidos por el
experto en la materia, por ejemplo una palanca, un motor eléctrico o
gatos hidráulicos o neumáticos.
En su extremo próximo al cojinete 14, la
estructura portadora 11 puede girar alrededor de la estructura
portadora 12 fija de acuerdo con un arco limitado por dientes
radiales 16, aquí en un número de cuatro, solidarios de esta última
estructura 12. Los dientes 16 cooperan con cuatro alojamientos 17
dispuestos sobre la cara interna de una brida de la estructura 11
perpendicular al eje de rotación. Los alojamientos presentan dos
partes 17A, 17B cuyos fondos están a una distancia diferente del
eje.
En la posición ilustrada por las figuras 3A y
3B, los dientes 16 están dispuestos en las partes 17A con un juego
radial J entre su punta y el fondo de los alojamientos. Este juego
es superior a efectos del desequilibro del árbol en rotación.
Las partes 17B de los alojamientos son de menor
diámetro. Los dientes 16 pueden insertarse todos simultáneamente
sin juego radial, adaptándose de esta manera exactamente a las
formas.
Cuando los dientes 16 están dispuesto en las
partes 17B, como en las figuras 2A y 2B, las estructuras portadoras
11 y 12 son solidarias en la proximidad del cojinete. Por el
contrario, en las figuras 3A y 3B, estas estructuras están, en este
lugar, desolidarizadas.
Debido a sus diferentes rigideces, las
estructuras 11 y 12, con referencia al diagrama de la figura 1,
tienen características vibratorias tales que su respuesta a una
excitación vibratoria generada por la rotación del árbol a una
frecuencia f puede ser representada por las curvas S1, S2 para la
estructura flexible y R1, R2 para la estructura rígida.
Las resonancias M_{s} y M_{R} mostradas por
estas dos curvas están claramente separadas y las dos curvas se
cortan en un punto M_{p}, correspondiente a una frecuencia de
rotación f_{p}, caracterizada por una baja amplitud de respuesta
vibratoria para las dos estructuras simultáneamente. Por debajo de
la frecuencia f_{p}, la estructura rígida 11 no presenta una
respuesta R1 notable. Más allá de esta frecuencia, es la estructura
flexible la que filtra las excitaciones del árbol 15 y no
proporciona una respuesta S2 importante, mientras que a la inversa
las respuestas S1 y R2 son elevadas.
Cuando la estructura portadora externa 11 es
actuada mecánicamente en rotación para girar en un primer sentido
22, en la figura 3B, por la activación anterior, llega a la posición
de alta rigidez representada en las figuras 2A y 2B. De este modo,
la estructura portadora 12 de baja rigidez soporta el cojinete 14, y
la estructura portadora 11 de alta rigidez soporta la estructura
portadora de baja rigidez.
En esta posición, la estructuras portadoras 11 y
12 son completamente solidarias, y es la estructura más rígida la
que confiere al conjunto del soporte de cojinete sus características
de rigidez que dan una respuesta en frecuencia R1, las de la
estructura portadora externa 11. Esta posición es activada cuando el
motor funciona según un régimen bajo para que el soporte del
cojinete se oponga a las excitaciones en frecuencia generadas por
el desequilibrio del árbol en rotación.
Cuando la estructura portadora externa 11 es
activada mecánicamente en rotación para girar en un segundo sentido
21, en la figura 2B, por la activación anterior, viene a la posición
de baja rigidez representada en las figuras 3A y 3B.
En esta posición, las estructuras portadoras 11
y 12 son desolidarizadas al nivel del cojinete, y es la estructura
más flexible la que confiere al conjunto del soporte de cojinete sus
características de rigidez que dan una respuesta en frecuencia S2,
las de la estructura portadora interna 12. Esta posición es cuando
el motor funciona según un régimen elevado, filtrando de esta
manera el soporte de cojinete la excitación en vibración generada
por el desequilibro del árbol en rotación.
De este modo, para adaptar mejor las
características vibratorias globales del soporte de cojinete, se
actúa mecánicamente la estructura externa 11 en rotación en el
segundo sentido 21 cuando el régimen de motor es inferior a la
frecuencia de rotación f_{p}, y en el primer sentido 22 cuando es
superior a esta frecuencia de rotación.
La respuesta en frecuencia global del conjunto
motor esta representada por la curva en frecuencia compuesta de dos
ramas de curva R1 y S2, cuyo máximo común está representado por el
punto de intersección M_{p} de las curvas representativas de las
respuestas en frecuencia de las dos estructuras 11 y 12 que componen
el soporte de cojinete del motor, siendo este máximo muy inferior a
los máximos M_{s} y M_{R} de las dos curvas representativas de
las respuestas en frecuencia de estas dos estructuras.
Claims (8)
1. Un soporte (11, 12) de cojinete (14) para un
motor rotatorio, tal como un motor de turbina de gas, con un árbol
(15) que gira soportado por al menos un cojinete (14) y un bastidor
(10), que puede funcionar según al menos dos regímenes de
funcionamiento diferentes y que consta al menos de una estructura
mecánica portadora (12) de baja rigidez y de una estructura
mecánica portadora (11) de alta rigidez combinadas para soportar el
cojinete (14) de acuerdo con una o la otra de estas rigideces,
caracterizado por el hecho de que comprende medios de
accionamiento activados en función del régimen, dispuestos para
hacer la estructura portadora (12) de baja rigidez solidaria de la
estructura portadora (11) de alta rigidez cuando el motor funciona
según un régimen (f) inferior a una frecuencia de rotación
(f_{p}) determinada y desolidarizar dicha estructura portadora
(12) de la estructura portadora (11) de alta rigidez cuando el motor
funciona según un régimen (f) superior a la frecuencia de rotación
(f_{p}).
2. Un soporte de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que la estructura portadora
(12) de baja rigidez consta de dientes radiales (16) y la estructura
portadora (11) de alta rigidez consta de alojamientos (17) que
cooperan con los dientes (16).
3. Un soporte de acuerdo con la reivindicación
2, cuyos alojamientos (17) constan de partes (17B) que cooperan con
los dientes (16) para solidarizar las estructuras (11) y (12) entre
ellas.
4. Un soporte de acuerdo con la reivindicación
3, cuyos alojamientos (17) constan de partes (17A) que cooperan con
los dientes (16) con un juego radial (J) para desolidarizar la
estructura portadora (11) de alta rigidez de la estructura
portadora (12) de baja rigidez, siendo el juego superior a efectos
del desequilibrio del árbol en rotación.
5. Un soporte de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la
estructura portadora (12) de baja rigidez tiene forma de jaula de
ardilla (13).
6. Un soporte de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, para un motor que puede funcionar según
al menos tres regímenes de funcionamiento diferentes, que consta al
menos de tres estructuras mecánicas portadoras de rigideces
diferentes combinadas para soportar el cojinete (14) de acuerdo con
una o la otra de estas rigideces.
7. Un soporte de acuerdo con una de las
reivindicaciones anteriores, con un sistema de asistencia para el
control de los medios de accionamiento en función del régimen del
árbol o del nivel vibratorio a través de los ordenadores de control
del motor y/o del avión sobre el que está montado el motor.
8. Un motor de turbina de gas que consta de un
soporte de cojinete de acuerdo con una de las reivindicaciones
precedentes.
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