ES2265397T3 - Rotor con alabes. - Google Patents
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Abstract
Un disco con alabes (20) para utilizarse en un motor de turbina (10), que comprende: Un disco anular (60) que tiene un cubo (62) que rodea una abertura central (64), una banda continua (66) que se extiende en general radialmente hacia fuera desde el cubo (62) y un reborde (68) que rodea la banda continua (66); una fila interior (70) de alabes, incluyendo una pluralidad de perfiles de ala (72) separados circunferencialmente, formados integralmente con el disco (60), extendiéndose cada uno de los citados perfiles de ala (72) de la citada fila interior (70) de aletas radialmente hacia fuera desde una raíz (74) situada en posición adyacente al reborde (68) del disco (60), hasta una punta (76) opuesta a la raíz (74); un divisor anular (80) formado integralmente con la fila interior (70) de aletas y que rodea las puntas (76) de la citada pluralidad de perfiles de ala (72) de las mismas, teniendo el citado divisor (80) una superficie interior (82) orientada hacia las puntas (76) de la pluralidad de perfiles de ala (72) de la fila interior (70) de aletas, y una superficie exterior (84) opuesta a la citada superficie interior (82); y una fila exterior (90) de aletas, incluyendo una pluralidad de perfiles de ala (92) separados circunferencialmente, formados integralmente con el divisor (80), extendiéndose cada uno de los citados perfiles de ala (92) de la citada fila exterior (90) de aletas, en general radialmente hacia fuera desde una raíz (94) situada en posición adyacente a la superficie exterior (84) del divisor (80), hasta una punta (96) opuesta a la raíz (94), que se caracteriza porque hay más perfiles de ala en la citada fila exterior de aletas (90) que en la citada fila interior (70) de aletas, y cada perfil de ala (92) en la citada fila exterior (90) de aletas tiene una longitud de cuerda del centro del vano (110) menor de, aproximadamente, el 75 por ciento de la longitud de cuerda del centro del vano (112) de los perfiles de ala (72) en la citada fila interior (70) de aletas.
Description
Rotor con álabes.
La presente invención se refiere, en general, a
discos con álabes "blisks", formados integralmente para motores
de turbina, y más en particular, a un blisk que tiene un divisor
integral.
Un motor convencional de turbina de gas incluye
un compresor de alta presión para comprimir el aire que se desplaza
a través del motor, un combustor que se encuentra situado aguas
abajo del compresor para calentar el aire comprimido, y una turbina
de alta presión que se encuentra situada aguas abajo del combustor
para accionar el compresor de alta presión. Un tipo de motor,
conocido como motor de turbo-ventilador en
derivación, también tiene una turbina de baja presión situada aguas
abajo de la turbina de alta presión para accionar un ventilador
situado aguas arriba del compresor de alta presión. En un motor de
ciclo variable, la primera etapa del compresor de alta presión es
una etapa de ventilador de arrastre de núcleo. Las líneas de
corriente del motor de ciclo variable se dividen en la etapa de
ventilador de arrastre de núcleo, y para ello tiene conductos
concéntricos interior y exterior. La cantidad de aire que pasa a
través del conducto exterior puede ajustarse para cambiar el empuje
y el consumo de combustible del motor.
Como se muestra en la patente norteamericana
número 5.988.980, una etapa de ventilador de arrastre de núcleo
incluye perfiles de ala interior y exterior situados en los
conductos interior y exterior, respectivamente. Un divisor
generalmente cilíndrico, que se encuentra situado entre los perfiles
de ala interior y exterior, forma parte de la superficie de las
líneas de corriente interior del conducto exterior y forma parte de
la superficie de líneas de corriente exterior del conducto
interior. Algunos de los ventiladores de arrastre de núcleo de la
técnica anterior se forman en una única pieza de material, de manera
que los perfiles de ala interior y exterior, el divisor y un disco
sean integrales. Un disco con aletas integrales comúnmente se
denomina "blisk".
En el pasado, los blisks de etapa de ventilador
de arrastre de núcleo se han hecho con un número igual de perfiles
de ala interior y exterior, de manera que cada perfil de ala
exterior está alineado radialmente con un perfil de ala interior
correspondiente. Además, cada perfil de ala exterior de los blisks
de la técnica anterior tiene una longitud de cuerda del centro del
vano que es casi tan larga (es decir, mayor del 80 por ciento) como
la longitud de cuerda del centro del vano de los perfiles de ala
interiores. Como podrán apreciar los especialistas en la técnica,
la longitud de cuerda del centro del vano es una distancia en línea
recta medida desde un punto en un filo anterior del perfil de ala a
media distancia a lo largo de su vano (es decir, la altura radial)
hasta un punto en un filo posterior del perfil de ala, a mitad de
distancia a lo largo de su vano. Debido a que las longitudes de
cuerda del perfil de ala exterior de los blisks de la técnica
anterior son relativas a las longitudes de cuerda del perfil de ala
interior, los filos anterior y posterior de los perfiles de ala
interiores sufren altas tensiones, particularmente en las puntas de
los perfiles de los perfiles de ala interiores. Los intentos
anteriores de reducir estas tensiones han incluido la formación de
una ranura en los filos anterior y posterior del divisor, como se
muestra en la patente norteamericana número 5.988.980.
El documento
US-A-5.562.419 también describe
blisks para motores de turbina con filas interior y exterior de
aletas, generalmente de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1 del mismo. El documento
US-A-1.263.473 muestra un disco de
turbina que tiene filas interior y exterior de aletas, habiendo más
aletas en la fila exterior que en la fila interior.
Entre las distintas características de la
presente invención, se puede resaltar la provisión de un blisk que
tiene las características de la reivindicación 1, para su
utilización en un motor de turbina. El blisk incluye un disco
anular que tiene un cubo que rodea una abertura central, una banda
continúa que se extiende en general radialmente hacia fuera desde
el cubo y un reborde que rodea la banda continua. Además, el blisk
comprende una fila interior de aletas que incluyen una pluralidad
de perfiles de ala separados circunferencialmente que están
formados integralmente con el disco. Cada uno de los perfiles de ala
de la fila interior de aletas se extiende en general radialmente
hacia fuera desde una raíz situada en posición adyacente al reborde
del disco, hasta una punta opuesta a la raíz. Además, el blisk
incluye un divisor anular formado integralmente con la fila
interior de aletas y que rodea las puntas de la pluralidad de
perfiles de ala de la misma. El divisor tiene una superficie
interior orientada hacia las puntas de la pluralidad de perfiles de
ala de la fila interior de aletas, y una superficie exterior
opuesta a la superficie interior. Todavía más, el blisk incluye una
fila exterior de aletas que incluye una pluralidad de perfiles de
ala separados circunferencialmente, formados integralmente con el
divisor. Cada uno de los perfiles de ala de la fila exterior de
aletas se extiende en general radialmente hacia fuera desde una
raíz situada en posición adyacente a la superficie exterior del
divisor, hasta una punta opuesta de la raíz. Hay más perfiles de ala
en la fila exterior de aletas que en la fila interior de aletas.
Cada perfil de ala en la fila exterior de aletas tiene una longitud
de cuerda del centro del vano menor de aproximadamente el 75 por
ciento de una longitud de cuerda del centro del vano de los
perfiles de ala en la fila interior de aletas.
A continuación, se describirá una realización de
la invención, a título de ejemplo, con referencia a los dibujos que
se acompañan, en los cuales:
la figura 1 es una sección transversal parcial
vertical de un motor de turbina de gas que tiene un blisk de la
presente invención;
la figura 2 es una sección transversal del
blisk;
la figura 3 es una perspectiva orientada hacia
delante de un sector de un blisk de la presente invención;
la figura 4 es una perspectiva orientada hacia
delante del sector del blisk; y
la figura 5 es un esquema de un perfil de ala
interior y de un perfil de ala exterior del blisk.
Los caracteres de referencia correspondientes
indican elementos correspondientes en las distintas vistas de los
dibujos.
Haciendo referencia a continuación a los dibujos
y en particular a la figura 1, un motor (mostrado parcialmente) de
turbina de gas de ciclo variable se designa en su totalidad por
medio del número de referencia 10. El motor 10 tiene un estator
(designado en general por 12) y un rotor de alta presión o de núcleo
(designado en general por 14) montado rotativamente en el estator.
El rotor 14 de núcleo incluye un disco con aletas integrales o
"blisks", designado en general por 20, que es el sujeto de la
presente invención.
El estator 12 incluye un bastidor, designado en
general por 30, aguas arriba del blisk 20. El bastidor 30 incluye
un conducto exterior, designado en general por 32, que define un
pasaje exterior 34 de líneas de corriente, y un conducto interior,
designado en general por 36, que define un pasaje interior 38 de
líneas de corriente. Una pluralidad de álabes exteriores 40 de
estator, de pasaje variable, separados circunferencialmente y una
pluralidad de álabes interiores 42 de estator, de pasaje variable,
separados circunferencialmente, se montan pivotantemente en el
pasaje exterior 34 de líneas de corriente y en el pasaje interior 38
de líneas de corriente, respectivamente, para dirigir el flujo
aguas arriba desde el blisk 20. Una pluralidad de álabes 44 de
estator estacionarios, exteriores, separados circunferencialmente,
se monta aguas abajo del blisk para dirigir el flujo a través del
pasaje exterior 34, y una pluralidad de álabes 46 de estator de paso
variable, interiores, separados circunferencialmente, se monta
pivotantemente aguas abajo del blisk 20 para dirigir el flujo a
través del pasaje interior 38. La cantidad de aire que pasa a
través del pasaje exterior 34 se puede ajustar para que cambie el
empuje y el consumo de combustible del motor 10. Puesto que las
características del estator 12 son convencionales, las mismas no se
describirán con mayor detalle.
Como se ilustra en la figura 2, el blisk 20
incluye un disco anular, designado en general por 60, que tiene un
cubo 62 que rodea una abertura central 64, una banda continua 66 que
se extiende en general radialmente hacia fuera desde el cubo, y un
reborde 68 que rodea la banda continua. Una fila interior de aletas,
designadas en general por 70, incluyendo una pluralidad de perfiles
de ala 72 separados circunferencialmente, se forma integralmente
con el disco 60 como parte del reborde 68. Cada uno de los perfiles
de ala 72 de la fila interior de aletas 70 se extiende en general
radialmente hacia fuera desde una raíz 74 situada adyacente al
reborde 68 del disco 60, hasta una punta 76 opuesta de la raíz. El
blisk 20 también incluye un divisor anular, designado en general
por 80, formado integralmente con la fila interior de aletas 70 y
que rodea las puntas 76 de los perfiles de ala 72. El divisor 80
tiene una superficie interior 82 orientada hacia dentro, hacia las
puntas 76 de los perfiles de ala 72 de la fila interior de las
aletas 70 y una superficie exterior 84 opuesta a la superficie
interior. Una fila exterior de aletas 90, incluyendo una pluralidad
de perfiles de ala 92 separados circunferencialmente, se forma
integralmente con el divisor 80. Cada uno de los perfiles de ala 92
de la fila exterior 90 de aletas se extiende en general radialmente
hacia fuera desde una raíz 94 situada en posición adyacente a la
superficie exterior 84 del divisor 80, hasta una punta 96 opuesta a
la raíz. El blisk 20 también incluye un brazo 98 que se extiende
hacia atrás hacia una brida 100 configurada para conectar el blisk a
un árbol 102 que se extiende axialmente a través del motor 10, a la
turbina de alta presión (no mostrada).
Como se muestra en las figuras 3 y 4, hay más
perfiles de ala 92 en la fila exterior de aletas 90 que perfiles de
ala 72 en la fila interior de aletas 70. En una realización, hay el
doble de perfiles de ala 92 en la fila exterior de aletas 90 que en
la fila interior de aletas 70. En la realización que se ilustra, la
mitad de los perfiles de ala 92 en la fila exterior de aletas 90
están situadas directamente radialmente hacia fuera de los perfiles
de aleta 72 en la fila interior de aletas 70, y la otra mitad de los
perfiles de ala en la fila exterior de aletas está situada a mitad
de distancia entre la primera mitad de los perfiles de ala. Como
los especialistas en la técnica podrán apreciar, esta configuración
minimiza las tensiones en el divisor 80 y maximiza la vida de
fatiga.
Como se ilustra en la figura 5, cada perfil de
ala 92 en la fila exterior de aletas 90 tiene una longitud de
cuerda del centro del vano 110 menor de, aproximadamente, el 75 por
ciento de la longitud de cuerda del centro del vano de los perfiles
de ala 72 en la fila interior de aletas 70. En una realización, la
longitud de cuerda del centro del vano 110 de los perfiles de ala
92 exteriores es menor de, aproximadamente, el 60 por ciento de la
longitud de cuerda del tramo medio 112 de los perfiles de ala 72
interiores. En una realización, la longitud de cuerda del centro
del vano 110 de los perfiles de ala exteriores 92 es aproximadamente
el 54 por ciento de la longitud de cuerda del centro del vano 112
de los perfiles de ala interiores 72. Como será apreciado por
aquellos especialistas en la técnica, se reducen las tensiones en
los perfiles de ala 72 interiores cuando se reduce la longitud de
cuerda 110 de los perfiles de ala exteriores 92. La vida de fatiga
de los perfiles de ala se mejora, disminuyendo las tensiones de
pico. Además, al incrementar el número de perfiles de ala
exteriores, se proporciona una solidez de punta de perfil de ala
incrementada que puede proporcionar un rendimiento mejorado en
relación a un blisk que tenga el mismo número de perfiles de alas
interiores y exteriores.
Como se ilustra en la figura 2, el divisor 80
tiene un grosor 120 en un filo anterior 122, un grosor 124 en un
filo posterior 126 y un grosor 128 a mitad de distancia entre los
filos anterior y posterior. Para reducir adicionalmente la carga
sobre la fila interior de aletas 70, los grosores 120, 124 en los
filos anterior y posterior 122, 126 respectivamente, son más
delgados que el grosor 128 del divisor 80 inmediatamente hacia
dentro respecto a la fila exterior de aletas 90. Como será apreciado
por los especialistas en la técnica, el grosor 128 del divisor 80
en el interior de las aletas 90 se puede optimizar para obtener una
vida de fatiga deseada.
Aunque el blisk 20 puede estar fabricado
utilizando otros procedimientos sin separarse del alcance de la
presente invención, en una realización se forma el blisk de una
única pieza de material (por ejemplo, por fresado en una máquina de
control numérico), de manera que los perfiles de ala interior y
exterior, el divisor y un disco sean integrales. Además, el blisk
20 puede estar fabricado de cualquier material convencional
utilizado para fabricar componentes de rotor de motor de turbina de
gas (por ejemplo, una aleación de titanio o de níquel) sin
separarse del alcance de la presente invención.
Aunque el blisk 20 que se ha descrito más arriba
se utiliza en una sección de compresor del motor como una etapa de
ventilador de arrastre de núcleo, los especialistas en la técnica
apreciarán que la presente invención también se puede aplicar a
otras porciones de un motor 10 de turbina de gas, tales como en la
sección de ventilador o en la sección de turbina.
Cuando se introducen elementos de la presente
invención, o de la o las realizaciones preferentes de la misma, los
artículos "un", "una", "el" y "citada" o
"citado" pretenden significar que hay uno o más de estos
elementos. Los términos "comprendiendo", "incluyendo" y
"teniendo" se pretende que sean inclusivos y significa que
puede haber elementos adicionales distintos a los elementos
listados.
Claims (8)
1. Un disco con álabes (20) para utilizarse
en un motor de turbina (10), que comprende:
Un disco anular (60) que tiene un cubo (62) que
rodea una abertura central (64), una banda continua (66) que se
extiende en general radialmente hacia fuera desde el cubo (62) y un
reborde (68) que rodea la banda continua (66);
una fila interior (70) de álabes, incluyendo una
pluralidad de perfiles de ala (72) separados circunferencialmente,
formados integralmente con el disco (60), extendiéndose cada uno de
los citados perfiles de ala (72) de la citada fila interior (70) de
aletas radialmente hacia fuera desde una raíz (74) situada en
posición adyacente al reborde (68) del disco (60), hasta una punta
(76) opuesta a la raíz (74);
un divisor anular (80) formado integralmente con
la fila interior (70) de aletas y que rodea las puntas (76) de la
citada pluralidad de perfiles de ala (72) de las mismas, teniendo el
citado divisor (80) una superficie interior (82) orientada hacia
las puntas (76) de la pluralidad de perfiles de ala (72) de la fila
interior (70) de aletas, y una superficie exterior (84) opuesta a
la citada superficie interior (82); y
una fila exterior (90) de aletas, incluyendo una
pluralidad de perfiles de ala (92) separados circunferencialmente,
formados integralmente con el divisor (80), extendiéndose cada uno
de los citados perfiles de ala (92) de la citada fila exterior (90)
de aletas, en general radialmente hacia fuera desde una raíz (94)
situada en posición adyacente a la superficie exterior (84) del
divisor (80), hasta una punta (96) opuesta a la raíz (94), que se
caracteriza porque hay más perfiles de ala en la citada fila
exterior de aletas (90) que en la citada fila interior (70) de
aletas, y cada perfil de ala (92) en la citada fila exterior (90) de
aletas tiene una longitud de cuerda del centro del vano (110) menor
de, aproximadamente, el 75 por ciento de la longitud de cuerda del
centro del vano (112) de los perfiles de ala (72) en la citada fila
interior (70) de aletas.
2. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 1, en el que hay el doble de
perfiles de ala en la citada fila exterior (90) de aletas que en la
citada fila interior (70) de aletas.
3. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 2, en el que cada uno de la mitad
de perfiles de ala (92) en la citada fila exterior (90) de aletas
está situado directamente radialmente hacia fuera desde uno de los
perfiles de ala (72) en la citada fila interior (70) de aletas.
4. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 1, en el que la longitud (110) de
cuerda del centro del vano de cada perfil de ala (92) en la citada
fila exterior (90) de aletas es menor de, aproximadamente, el 60
por ciento de la longitud (112) de cuerda del centro del vano de los
perfiles de ala (72) en la citada fila interior (70) de aletas.
5. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 4, en el que la longitud (110) de
cuerda del centro del vano de cada perfil de ala (92) en la citada
fila exterior (90) de aletas es, aproximadamente, el 54 por ciento
de la longitud (112) de cuerda del centro del vano de los perfiles
de ala (72) en la citada fila interior (70) de aletas.
6. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 1, en el que el divisor (80) tiene
un grosor (120) en un filo anterior (122), un grosor (124) en un
filo posterior (126), y un grosor (128) a mitad de distancia entre
los filos anterior y posterior (122, 126) y en el que el grosor
(128) a mitad de distancia entre los filos anterior y posterior es
mayor que el grosor (120, 124) en los filos anterior y posterior
(122, 126).
7. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 1, en el que las citadas filas
interior y exterior (70, 90) de aletas están configuradas para
utilizarse como una etapa de ventilador de arrastre de núcleo.
8. Un disco con álabes (20) como se ha
establecido en la reivindicación 1, en combinación con el motor
(10) de turbina.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US702394 | 2000-10-31 | ||
| US09/702,394 US6454535B1 (en) | 2000-10-31 | 2000-10-31 | Blisk |
Publications (1)
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (7)
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