ES2338535T3 - Un metodo para fabricar un componente de estator o de rotor. - Google Patents
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Abstract
Un método para fabricar un componente de estator o componente de rotor (10, 12), al menos un álabe (2) en un elemento anular o en forma de disco (1, 14) que comprende una pluralidad de dichos álabes (2) dispuestos que sobresalen radialmente estando conjuntamente unidos con al menos un anillo (3, 11, 13), un material de unión se proporciona en contacto con al menos una de las palas (2) y el anillo (3, 11, 13), el álabe y el anillo están dispuestos entre sí de tal manera que están unidos conjuntamente vía un empalme cuando se calienta, y dicho tratamiento de calor se lleva a cabo posteriormente de modo que el material de unión forma una fusión que une las partes cuando se solidifica, caracterizado por el hecho de que un primer anillo y elemento anular o en forma de disco está diseñado con una superficie radialmente interior (4) que, al menos parcialmente, está inclinada con relación a su eje central, en el que una superficie radialmente exterior (5) del segundo anillo y el elemento anular o en forma de disco está diseñada con una forma inclinada esencialmente correspondiente, y en el que el anillo y el elemento anular o en forma de disco están conectados vía un movimiento relativo entre ellos en la dirección axial de tal modo que las superficies inclinadas se llevan en contacto entre sí.
Description
Un método para fabricar un componente de estator
o de rotor.
La presente invención se refiere a un método
para fabricar un componente de estator o componente de rotor,
estando al menos un álabe unido junto con al menos un anillo de
acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. El álabe se
denomina con frecuencia una aspa de guía cuando se aplica en
estatores y está prevista durante su funcionamiento que guíe o
desvíe un caudal de gas. Cuando se aplica en rotores, el álabe se
utiliza habitualmente como guía y transmisión de energía. El
término anillo significa un anillo continuo, un anillo que es
discontinuo en la dirección periférica, o una parte que está
prevista, junto con otras partes similares, para formar un
anillo.
La invención se describirá a continuación
principalmente en un caso donde dicho anillo forma lo que puede
referirse como una cubierta. Esta cubierta está dispuesta fuera, o
dentro, del álabe en la dirección radial y en contacto con éste de
modo que durante su funcionamiento contrarresta la pérdida desde un
lado de presión a un lado de succión del álabe y las vibraciones.
Tal pérdida está asociada con pérdidas de eficiencia, y las
vibraciones están asociadas a un incremento de roturas por fatiga.
La invención no tiene que limitarse a este uso sino que también
puede utilizarse en otras aplicaciones.
Según un ejemplo, el componente de estator o de
rotor comprende una pluralidad de álabes que están dispuestos en un
espacio mutuo sobre un recorrido circular y que se proyectan en la
dirección radial desde una parte central, que se conoce como un
núcleo. La cubierta está dispuesta por fuera de los álabes en la
dirección radial, en forma de un anillo continuo.
La invención está centrada sobretodo en
aplicaciones concretas que requieren unos bordes de los álabes
extremadamente delgados y tolerancias ajustadas.
El componente de estator o componente de rotor
pueden por ello utilizarse tanto en aplicaciones estáticas
(estatores) como en aplicaciones dinámicas (rotores). El componente
también puede encontrar aplicación en turbinas y en compresores.
Para rotores, el componente se refiere comúnmente como un
"Blisk" (disco de álabes) o un "Bling" (anillo de
álabes).
El componente de estator o componente de rotor
puede disponerse, por ejemplo, en una turbo-bomba en
una aplicación espacial. Se entiende por
turbo-bomba como una unidad que comprende al menos
una turbina y una parte de bomba que es accionada por ésta. La
invención no tiene que considerarse que esté limitada a esta
aplicación sino también puede, por ejemplo, utilizarse en una
turbina de gas o motor de reacción. Las áreas de aplicación del
componente son, por ejemplo, en motores para vehículos, aviones,
equipamiento de plantas de energía para embarcaciones y estaciones
de energía para la producción de electricidad.
De acuerdo con la técnica anterior, una parte de
cubierta se fabrica con una abertura pasante en la dirección radial
que está prevista para el paso a través de un tramo de un álabe.
Para ser preciso, el álabe es guiado hasta el momento en la
abertura cuyo álabe sobresale por el otro lado de la parte de la
cubierta. A continuación, se suelda el álabe firmemente en la parte
de la cubierta, y, si es apropiado, el tramo que sobresale del álabe
es cortado y esmerilada con el fin de fabricar una superficie
esencialmente lisa.
Además, el documento US 1641745 describe un
método para la fabricación de componentes de una turbina. El
componente de la turbina consta de varios álabes que tienen un
extremo de encastre acoplado a un segmento de un segmento de
fundición en forma de anillo. Los extremos opuestos de los álabes
están acoplados a una banda de talón en forma de canal. El segmento
de talón se cubre, en primer lugar, con material de soldadura y
seguidamente se posiciona temporalmente con relación a los álabes.
El segmento de talón y los álabes se calientan después para
provocar que la soldadura se fusione con el material a lo largo de
todos los extremos del álabe y unir permanentemente el segmento de
talón con los álabes.
Un objeto de la invención es proporcionar un
método de fabricación de un componente de estator o componente de
rotor que es más eficiente en el tiempo y/o tiene un coste más
efectivo con relación a la técnica anterior. La invención también
tiene por objeto conseguir un método de fabricación que crea
posibilidades para un componente con gran resistencia y muy
eficiente.
Este objeto se consigue en virtud del hecho de
que un primer anillo y elemento anular o en forma de disco está
diseñado con una superficie radialmente interior que, al menos
parcialmente, está inclinada con relación a su eje central, en el
que una superficie radialmente exterior del segundo anillo y el
elemento anular o en forma de disco está diseñada con una forma
inclinada esencialmente correspondiente, y en el que el anillo y el
elemento anular o en forma de disco están conectados vía un
movimiento relativo entre ellos en la dirección axial de tal modo
que las superficies inclinadas se llevan en contacto entre sí. Esto
proporciona oportunidades para una técnica de fabricación simple
que comprende un número más pequeño de operaciones con relación a la
técnica anterior. En otras palabras, el álabe y el anillo forman lo
que se conoce como una unión en T. Más en particular, la unión en T
significa que un tramo del anillo forma la pieza transversal de la
T, y un tramo exterior del álabe en la dirección radial forma la
parte de vertical de la T que une la parte transversal.
Mediante la selección adecuada de la composición
de material del anillo, del álabe y del material de unión, es
posible obtener una conexión fuerte y homogénea. El método puede ser
controlado de modo que el material de unión se funda o forma una
fusión vía una reacción con el material matriz en las partes
adyacentes.
La geometría de la junta abierta proporciona
oportunidades para ensayos no destructivos con un coste efectivo y
simples con métodos convencionales. Por ejemplo, pueden detectarse
defectos superficiales con fluorescencia y defectos internos con
ultrasonidos.
Además, el anillo, también referido más abajo
como una cubierta, puede colocarse de este modo en el lugar
previsto alrededor del elemento anular o en forma de disco de una
forma simple y eficiente temporalmente. El diseño de las
superficies de junta quiere decir que el anillo cubierta se ajusta
asimismo sobre el elemento anular o en forma de disco durante su
aplicación. Dicho elemento anular o en forma de disco significa
tanto una parte interior, o un núcleo, o una parte exterior, a
partir de la cual sobresalen los álabes. Esta parte habitualmente
se considera como más robusta que la propia cubierta con el fin de
ser capaz de soportar dichos álabes.
Según una realización preferida de la invención,
una pluralidad de dichos álabes están unidos conjuntamente con el
anillo en un espacio mutuo en su dirección periférica. Esto
significa que se necesita poca o ninguna unión conjunta de dichos
anillos en la dirección periférica para formar un anillo. De acuerdo
con un desarrollo preferido, el anillo forma un anillo continuo
antes de aplicarse a los álabes.
Según otra realización preferida, dicho anillo
forma un anillo exterior, y los álabes están unidos conjuntamente
con el anillo de tal modo que sobresalen hacia dentro en la
dirección radial desde el anillo. En muchas aplicaciones del
estator y el rotor, está presente un núcleo radialmente interior, a
partir del cual sobresalen los álabes en la dirección radial. En
virtud de la técnica de unión anteriormente descrita, una cubierta
anular se dispone así por fuera de los álabes en la dirección
radial y en contacto con ellas.
Según otra realización de la invención, la
superficie de contacto de la cubierta está diseñada con una forma
cónica. Esto crea posibilidades para un método de conexión rápida
que sea fiable en lo que respecta al centraje. La superficie de
contacto del elemento anular o en forma de disco está adecuadamente
diseñada de tal manera que define una forma cónica.
Según otra realización, dicho material de unión
se proporciona en forma de capa. Esto puede tener lugar de una
forma simple y con un coste efectivo al pulverizar el material de
unión sobre la superficie de una de las partes que tienen que
unirse conjuntamente.
Otras realizaciones ventajosas de la invención
surgen a partir de las reivindicaciones siguientes y la
descripción.
La invención se describirá con mayor detalle a
continuación con referencia a las realizaciones mostradas en los
dibujos que se acompañan, en los que
La figura 1 ilustra una vista en perspectiva de
un elemento anular o en forma de disco con una pluralidad de álabes
previstos para guiar un flujo de gas;
La figura 2 ilustra una vista en perspectiva de
un anillo en forma de una cubierta de acuerdo con una primera
realización;
La figura 3 ilustra una vista lateral
parcialmente seccionada del elemento anular o en forma de disco
según la figura 1 y el anillo según la figura 2 durante la conexión
de éstos;
La figura 4 ilustra una vista en perspectiva de
un componente de estator o componente de rotor resultante del
método;
La figura 5 ilustra de forma esquematizada en
una vista en perspectiva un anillo en forma de una cubierta de
acuerdo con una segunda realización, y
La figura 6 ilustra una vista en perspectiva de
una variante del componente de estator o componente de rotor según
la figura 4.
La figura 1 ilustra un elemento anular o en
forma de disco 1 con una pluralidad de álabes 2, o aspas de guía,
que se proporcionan en su periferia y se proyectan en la dirección
radial. Los álabes 2 están dispuestos uno a continuación del otro
sobre un recorrido que se extiende alrededor de dicho elemento para
guiar un flujo de gas. El elemento anular o en forma de disco 1
define una forma con una sección esencialmente circular.
La figura 2 ilustra un anillo en forma de una
cubierta anular 3, o una plataforma, de acuerdo con una primera
realización. La cubierta está prevista para disponerse fuera de los
álabes en la dirección radial y en contacto con ellos. La cubierta
anular 3 es continua en la dirección periférica y tiene una forma
básicamente circular. La cubierta 3 también presenta la forma de
una banda y tiene una extensión ligeramente más grande en la
dirección axial que la extensión de los álabes en la dirección
axial del elemento anular o en forma de disco 1. La cubierta
presenta un espesor de pared considerablemente más delgado con
relación al elemento anular o en forma de disco 1 y está prevista
para contrarrestar pérdidas desde un lado de presión hasta un lado
de succión del álabe durante el funcionamiento.
La figura 3 ilustra un método para conectar la
cubierta anular 3 al elemento anular o en forma de disco 1.
La cubierta 3 está diseñada con una superficie
radialmente interior 4 que está, al menos parcialmente, inclinada
con relación al eje central de la cubierta. Más en particular, la
superficie radialmente interior 4 de la cubierta 3 presenta la
forma de una superficie lateral de un cono circular recto truncado.
La superficie interior de la cubierta 3 presenta por lo tanto una
superficie en sección transversal básicamente rectilínea. La
superficie interior 4 presenta una inclinación \alpha inferior a
45º y adecuadamente inferior a 20º. La superficie interior 4
preferentemente presenta una inclinación \alpha de
0,5-10º y en particular una inclinación de
1-6º con relación al eje central de la cubierta.
La superficie radialmente exterior 5 del
elemento anular o en forma de disco 1 tiene una forma inclinada que
corresponde aproximadamente con la superficie interior 4 de la
cubierta 3. Por lo tanto, la superficie radialmente exterior 5 del
elemento anular o en forma de disco 1 presenta aproximadamente la
forma de la superficie lateral de dicho cono circular recto
truncado. En otras palabras, es la superficie radialmente exterior
de los álabes 2 que conjuntamente definen la forma de la superficie
lateral de dicho cono circular recto truncado. Dado que los álabes
2 están dispuestos en un espacio mutuo en la dirección periférica,
la superficie lateral del elemento anular o en forma de disco 1 es
de hecho discontinua en la dirección periférica. La superficie
exterior 5 presenta una inclinación que corresponde con la
inclinación de la superficie interior de la cubierta 3.
La superficie radialmente interior de la
cubierta 3 está provista de una capa 6 con un material de unión.
Este material está previsto para unir la cubierta 3 y el elemento
anular o en forma de disco 1 de forma conjunta con un empalme
cuando se calienta. Este material de unión puede, por ejemplo, ser
pulverizado en forma de pasta, sobre la superficie interior de la
cubierta antes de la conexión.
La cubierta 3 y el elemento anular o en forma de
disco 1 están conectados vía un movimiento relativo entre ellos en
la dirección axial de tal manera que el lado 7 de la cubierta 3 que
presenta una obertura de diámetro más grande se mueve hacia ese
lado 8 del elemento anular o en forma de disco 1 que presenta el
diámetro exterior más pequeño. Cuando tiene lugar el movimiento
relativo, la superficie interior 4 de la cubierta 3, mediante la
capa 6, interactuará con la superficie exterior 5 del elemento
anular o en forma de disco 1. De acuerdo con la figura 3, las
partes están conectadas por el elemento anular o en forma de disco 1
que se posicionan sobre un soporte 9 y el anillo cubierta 3
moviéndose hacia el elemento 1 en la dirección axial, es decir,
verticalmente desde arriba. La aplicación del anillo cubierta se
ilustra en la figura 1 con la flecha de fuerza F. En virtud del
diseño de las superficies de contacto 4, 5 y el efecto de gravedad
sobre el anillo cubierta 3, la conexión se ajusta así misma, y
cualquier juego que surja entre las partes se minimiza.
Después de la conexión de la cubierta 3 y el
elemento anular o en forma de disco 1, el componente de estator o
componente de rotor formado de esta manera se coloca en un horno. El
componente se calienta, uniéndose conjuntamente la cubierta 3 con
el elemento anular o en forma de disco 1 en virtud del material de
unión en la capa 4 que se funde y/o, vía reacción con el material
en la superficie de contacto de la cubierta 3 y, respectivamente,
el elemento anular o en forma de disco 1, formando una fusión en las
capas límite. Preferentemente, el calentamiento se lleva a cabo a
una temperatura próxima o por encima de la temperatura de fusión del
material de unión pero por debajo de la temperatura de fusión de
los álabes y el componente de estator o rotor.
El material de unión humedece las superficies de
contacto 4, 5 y rellena cualquier juego que surja entre las
superficies, y rallados y otras irregularidades en las superficies,
que reduce el riesgo de defectos de unión.
Con el fin de asegurar una unión de alta
resistencia homogénea, se aplica presión a la cubierta 3 y el
elemento anular o en forma de disco 1 durante el tratamiento de
calor. El uso puede estar hecho, por ejemplo, de una placa de
presión con el fin de aplicar presión en la dirección axial. Un modo
alternativo de aplicar presión es por medio de fuerza elástica.
Según una alternativa adicional, un elemento anular desechable se
sujeta encima del anillo cubierta y se retiene allí durante el
tratamiento de calor.
La figura 4 muestra un componente de estator o
componente de rotor 10 que es resultado del método de fabricación
descrito anteriormente. Cuando el componente de estator o componente
de rotor 10 acabado se monta, por ejemplo, en una turbina espacial,
el componente está adecuadamente, aunque no necesariamente,
dispuesto de cara a una dirección en la que tiene lugar una
diferencia de presión durante la operación que presiona la cubierta
3 firmemente contra el elemento anular o en forma de disco 1.
La figura 5 muestra un anillo 11 de acuerdo con
una segunda realización y un álabe 2 unido conjuntamente con el
anillo. Una pluralidad de dichos anillos están previstos para
conectarse entre sí en la dirección periférica para formar una
cubierta anular continua (ver líneas discontinuas). El álabe está
también conectado, en su extremo situado opuesto al anillo, a una
parte central, por ejemplo, en forma de un anillo (no mostrado).
La figura 6 muestra una variante 12 del
componente de estator o componente de rotor anteriormente descritos.
En este caso, los álabes 2 del elemento anular o en forma de disco
14 se prolongan hacia dentro en la dirección radial, y se dispone
una cubierta 13 dentro de los álabes en la dirección radial. La
fabricación de este componente 12 se lleva a cabo de un modo
similar al descrito anteriormente con relación a la figura 3. En
este caso, es la superficie radialmente interior del elemento
anular o en forma de disco 14 y la superficie radialmente exterior
de la cubierta 13 que están provistas de dicha forma cónica.
El material de unión puede constar, por ejemplo,
de una soldadura, estando las partes soldadas conjuntamente. La
técnica de soldadura puede a su vez ser soldadura por difusión.
El elemento anular o en forma de disco se
fabrica con una superficie exterior de una pieza básica anular o en
forma de disco que se tornea hasta dicha forma cónica. Seguidamente
los álabes se moldean a partir de la pieza básica para formar dicho
elemento anular o en forma de disco. La superficie cónica del anillo
cubierta también se produce por torneado.
El componente de estator o componente de rotor
fabricado de acuerdo con el método descrito anteriormente está
previsto para un flujo en la dirección axial.
La cubierta y el elemento anular o en forma de
disco pueden consistir, por ejemplo, en acero inoxidable. El
material de unión puede consistir, por ejemplo, en una aleación que
comprenda níquel y oro.
A partir de la descripción anterior, es claro
que la expresión "que un material de unión se proporciona en
contacto con al menos una de los álabes y el anillo, que el álabe y
el anillo se disponen entre sí de tal modo que se unen
conjuntamente mediante un empalme cuando se calienta" no
significa necesariamente dos etapas diferentes que sigan una a la
otra en orden cronológico, sino que pueden llevarse a cabo
esencialmente de forma simultánea, o en orden inverso.
La invención no debe considerarse como que está
limitada a las realizaciones ilustradas anteriormente descritas,
aunque son concebibles un número de variantes y modificaciones
adicionales dentro del ámbito de las reivindicaciones de la
patente.
Por ejemplo, aquellas superficies tanto del
anillo de la cubierta como el elemento anular o en forma de disco
que están previstas para contactar pueden presentar un diseño que
sea diferente de la superficie lisa y cónica descrita anteriormente
para encajar conjuntamente. Las superficies de contacto pueden
presentar, por ejemplo, un diseño redondeado. Una primera de las
superficies de contacto puede presentar por ello una forma convexa,
y una segunda de las superficies de contacto puede presentar una
forma cóncava.
De acuerdo con una alternativa para la
aplicación del material de unión en la superficie de contacto de la
cubierta por pulverización con la finalidad de formar dicha capa, el
material de unión puede proporcionarse en forma de un film, es
decir, una parte adicional separada en forma sólida. El film
presenta de forma adecuada un espesor de 0,02-0,2
mm.
Las dimensiones de las partes de los componentes
pueden variarse. Por ejemplo, el elemento anular o en forma de
disco 1 en la figura 1 puede tener esencialmente el mismo espesor de
pared que la cubierta 3.
De acuerdo con una alternativa para moldear los
álabes a partir de una pieza básica en la dirección radial, es
posible fabricar los álabes de forma individual mediante, por
ejemplo, fundición. Los álabes a continuación se unen a anillos en
el lado superior y el lado del encastre con uniones en T y el método
descrito anteriormente.
De acuerdo con una alternativa a la técnica
descrita anteriormente para la aplicación de la cubierta alrededor
de los álabes, la cubierta podría diseñarse como una sola parte
anular que sea elástica y tenga una discontinuidad en la dirección
periférica. La cubierta entonces se dirige hacia los álabes, después
del cual los dos extremos del anillo cubierta se acercan y se
conectan. De acuerdo con otra alternativa, la cubierta está formada
por un anillo continuo que se retrae sobre los álabes.
La temperatura de fusión del material de unión
no tiene que situarse necesariamente por debajo de la temperatura
de fusión de los álabes y el componente de estator o componente de
rotor con el fin de conseguir la unión y fusión conjunta cuando
tiene lugar la solidificación.
Claims (13)
1. Un método para fabricar un componente de
estator o componente de rotor (10, 12), al menos un álabe (2) en un
elemento anular o en forma de disco (1, 14) que comprende una
pluralidad de dichos álabes (2) dispuestos que sobresalen
radialmente estando conjuntamente unidos con al menos un anillo (3,
11, 13), un material de unión se proporciona en contacto con al
menos una de las palas (2) y el anillo (3, 11, 13), el álabe y el
anillo están dispuestos entre sí de tal manera que están unidos
conjuntamente vía un empalme cuando se calienta, y dicho
tratamiento de calor se lleva a cabo posteriormente de modo que el
material de unión forma una fusión que une las partes cuando se
solidifica,
caracterizado por el hecho de que un
primer anillo y elemento anular o en forma de disco está diseñado
con una superficie radialmente interior (4) que, al menos
parcialmente, está inclinada con relación a su eje central, en el
que una superficie radialmente exterior (5) del segundo anillo y el
elemento anular o en forma de disco está diseñada con una forma
inclinada esencialmente correspondiente, y en el que el anillo y el
elemento anular o en forma de disco están conectados vía un
movimiento relativo entre ellos en la dirección axial de tal modo
que las superficies inclinadas se llevan en contacto entre sí.
2. El método según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que una pluralidad de dichos
álabes (2) están unidos conjuntamente con el anillo (3, 13) en un
espacio mutuo en su dirección periférica.
3. El método según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por el hecho de que el anillo (3, 13) forma un
anillo que es continuo en la dirección periférica.
4. El método según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por el hecho de que uno o más de dichos anillos
(11) están unidos conjuntamente en la dirección periférica con el
fin de formar un anillo continuo.
5. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dicho anillo forma un anillo exterior (3), y en el que los
álabes (2) están unidos conjuntamente con el anillo de tal modo que
sobresalen hacia dentro en la dirección radial desde el anillo.
6. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-4, caracterizado por el
hecho de que dicho anillo (13) forma un anillo interior, y en el
que los álabes (2) están unidos conjuntamente con el anillo de tal
manera que sobresalen hacia fuera en la dirección radial desde el
anillo.
7. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que cada una de las superficies inclinadas (4, 5) está diseñada de
tal modo que define una forma cónica.
8. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dichos álabes (2) son moldeados a partir de una pieza básica en
la dirección radial con el fin de formar dicho elemento anular o en
forma de disco (1, 14).
9. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dicho material de unión se proporciona en forma de una capa
(6).
10. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que dicho material de unión se aplica en aquella superficie del
anillo (3, 13) prevista para contactar con dichos álabes (2) antes
de que se unan conjuntamente el anillo y dichos álabes.
11. El método según la reivindicación 10,
caracterizado por el hecho de que dicho material de unión se
aplica de modo que forma una capa continua (6).
12. El método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-8, caracterizado por el
hecho de que dicho material de unión se proporciona en forma de
film.
13. El método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que se aplica presión al anillo (3, 13) y al álabe (2) desde
direcciones opuestas durante dicho calentamiento.
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