ES2338339T3 - Ala de enganche anular para un disco de rotor. - Google Patents
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Abstract
Turbo máquina que comprende una rueda de álabes (14), estando los citados álabes huecos y refrigerados interiormente mediante circulación forzada de aire de refrigeración, estando cada álabe (22) montado en la periferia de un disco de rotor, del tipo en el cual un disco de laberinto (52) está asociado al citado disco de rotor para definir un circuito de alimentación de aire de refrigeración que se comunica con cavidades de circulación de aire (48) definidas en los citados álabes y que se abren en la base de los pies de álabe (44) unidos al citado disco giratorio, canalizando el citado disco de laberinto el aire hacia estos pies de álabe, caracterizado porque un ala de enganche anular (70) está intercalado entre el borde exterior del citado disco de laberinto y el citado disco de rotor, porque la citada ala de enganche comprende un saliente de retención radial externo (72) que forma gancho anular exterior en el cual se encastra el borde exterior del citado disco de laberinto y un saliente de apoyo radial interno (74) que forma un gancho anular interior acoplado en una cavidad circunferencial axial al citado disco de rotor y porque la citada ala de enganche comprende pasos (78) para el flujo del aire hacia los pies de álabe.
Description
Ala de enganche anular para un disco de
rotor.
La invención se refiere a una turbo máquina,
como por ejemplo un turbo reactor para avión; se refiere más
particularmente a la refrigeración de los álabes del rotor de una
turbina de alta presión arrastrada en rotación por la energía de
los gases de combustión que se escapan de una cámara de combustión
anular.
Un turbo reactor clásico comprende varias
turbinas y particularmente una turbina de alta presión, en la cual,
una rueda de álabes está dispuesta aguas debajo de la salida anular
de una cámara de combustión en la cual combustible y aire a presión
son inyectados de manera continua para mantener la combustión. La
rueda de álabes permite arrastrar en rotación al compresor de aire
que alimenta a la propia cámara de combustión.
Los álabes de la rueda deben ser refrigerados.
Para ello, es conocido utilizar álabes huecos. Cada álabe comprende
una cavidad en el interior de la cual se mantiene una circulación
forzada de aire de refrigeración. Una parte del aire suministrado
por el compresor rodea a la cámara de combustión para ser admitido
en los álabes y ser inyectado desde ellos aguas debajo de los
álabes, en el flujo de los gases de combustión.
La rueda de álabes de compone de un disco
giratorio llamado también disco de rotor ligado a un árbol que
arrastra al compresor. Los álabes están acoplados en alveolos
definidos en la periferia del disco giratorio. Clásicamente, el
perfil de tal alveolo se llama "en abeto" y cada álabe
comprende un alargamiento llamado "pie de álabe", de forma
correspondiente a la del alveolo y acoplado en éste. Sigue
existiendo un paso entre el fondo del alveolo y el pie del álabe.
La cavidad definida en el álabe se comunica con este paso.
Para forzar el aire a acoplarse en estos pasos,
es conocido asociar un disco giratorio, un disco llamado
"laberinto". Este está montado en frente de una cara del disco
giratorio; está conformado para guiar una parte del aire
suministrado por el compresor hacia los pasos definidos bajo los
pies de álabe.
Es conocido solidarizar el disco de laberinto y
el disco de rotor en la proximidad de los pies de álabes mediante
enclavamientos, lo que complica la fabricación de los dos discos. En
efecto, la mecanización de las mordazas y su desbarbado es una
operación larga y costosa. Además, es deseable, cuando sea posible,
suprimir cualquier forma geométrica de radios o discontinuidades
pequeños que conllevan concentraciones de tensiones locales que
disminuyen la vida útil de la pieza. Es particularmente el caso de
las mordazas.
El documento US 3.768.924 describe una fijación
próxima al enclavamiento en el cual ganchos solidarios del disco de
rotor y ganchos solidarios del disco de laberinto alternan
circunferencialmente y están unidos por un anillo. Esta solución es
tan costosa y complicada como el enclavamiento.
La patente US 6 540 477 describe un montaje del
disco de laberinto en apoyo periférico contra el disco giratorio,
pero esta solución, sin enclavamiento, no puede impedir la
deformación del disco de laberinto por los efectos conjugados de la
fuerza centrífuga y el calor, lo que puede ocasionar una fuga de
aire y una pérdida de eficacia del sistema de refrigeración.
El documento US 3.989.410 describe una
disposición en la cual se basa el preámbulo de la reivindicación 1
donde el disco de rotor y el disco de laberinto están ensamblados
mediante dos series de pasadores, lo que presenta también graves
inconvenientes particularmente en lo que concierne a la complejidad
de fabricación de los discos y, sobre todo, las dificultades de
montaje.
La invención aporta una solución a todos estos
problemas proponiendo un montaje sin enclavamiento mediante el cual
se contiene la deformación del disco de laberinto.
Más particularmente, la invención se refiere a
una turbo máquina que comprende una rueda de álabes, siendo los
citados álabes huecos y estando refrigerados interiormente mediante
circulación forzada de aire de refrigeración, estando cada álabe
montado en la periferia de un disco de rotor, del tipo en el cual un
disco de laberinto está asociado al citado disco de rotor para
definir un circuito de alimentación de aire de refrigeración que se
comunica con cavidades de circulación de aire definidas en los
citados álabes y que se abre en la base de los pies de álabes
conectados al citado disco giratorio, canalizando el citado disco de
laberinto el aire hacia estos pies de álabe, caracterizado porque
un ala de enganche anular está intercalada entre el borde exterior
del citado disco de laberinto y el citado disco de rotor, porque la
citada ala de enganche comprende un saliente de retención radial
externo que forma gancho anular exterior en el cual se encastra el
borde exterior del citado disco de laberinto y un saliente de apoyo
radial interno que forma gancho anular interior acoplado en una
cavidad circunferencial axial del citado disco de rotor y porque la
citada ala de enganche comprende pasos para el flujo del aire hacia
los pies de álabe.
El ala de enganche comprende agujeros dispuestos
en frente de los alveolos definidos en la periferia del disco de
rotor y en los cuales están acoplados los pies de álabe.
Ventajosamente, el disco de laberinto está
montado con pre-tensión axial en apoyo periférico
sobre el ala de enganche.
La invención se comprenderá mejor y otras
ventajas de ella resultarán más claramente evidentes a la luz de la
descripción que sigue de una turbo máquina de acuerdo con su
principio, dada únicamente a título de ejemplo y hecha en
referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática parcial
de un turbo reactor de acuerdo con la invención, que muestra más
particularmente la turbina de alta presión y su sistema de
refrigeración;
- la figura 2 es una vista de detalle a escala
mayor de una parte de la figura 1;
- la figura 3 es una vista parcial en
perspectiva despiezada según la flecha III de la figura 2; y
- la figura 4 es un esquema que ilustra las
interacciones entre las partes ensambladas de acuerdo con la
invención; y
- la figura 5 es una vista análoga a la figura 2
que ilustra una variante.
En los dibujos, todas las piezas representadas
son axi-simétricas, de eje Y-Y,
admitiendo las piezas móviles este eje como el eje de rotación.
Considerando más particularmente las figuras 1 a 3, se ha
representado una parte de un turbo reactor 11 y principalmente una
turbina de alta presión 12 asociada a una cámara de combustión
anular 16. La turbina comprende esencialmente una rueda de álabes 14
arrastrada en rotación por los gases que se escapan de la cámara de
combustión 16. La salida anular 18 de esta última está provista de
palas fijas 20 que orientan los gases hacia los álabes 22 de la
citada rueda de álabes. Inyectores 26 están dispuestos en corona en
el fondo de la cámara de combustión 16. Ésta está montada en el
interior de una carcasa anular 28 que comprende una corona de
orificios de entrada de aire 30 que reciben aire a presión
suministrado por un compresor (no representado), arrastrado a su
vez por un árbol hueco 34, de eje Y'-Y sobre el cual
está montada la rueda de álabes 14. La mayor parte del aire a
presión introducido en la carcasa 28 penetra en la cámara de
combustión donde sirve de combustible.
La rueda de álabes 14 comprende un disco de
rotor 36 fijado en el árbol 34 mediante pasadores 38. Este disco
comprende, en su periferia exterior, alveolos 40 alargados, de
sección recta constante y cuyo perfil conocido se llama "en
abeto". Estos alveolos están regularmente repartidos
circunferencialmente en la periferia del disco de rotor 36. Los
álabes 22 están encastrados en estos alveolos. A este efecto, cada
álabe comprende un alargamiento o pie de álabe 44 cuyo perfil
corresponde al de la parte radialmente más exterior del alveolo en
el cual está acoplado. Sin embargo, sigue existiendo un paso 46
entre el fondo de cada alveolo y el pie del álabe 44 acoplado en
éste. Como se verá más adelante, los pasos 46 son aprovechados para
el paso del aire de refrigeración de los álabes situados en frente
de la salida anular 18 de la cámara de combustión 16.
Cada álabe comprende en efecto, de manera
conocida, una cavidad 48 en el interior de la cual se mantiene una
circulación forzada de aire de refrigeración, estando este aire
previamente en la carcasa 28. Así, una parte del aire suministrado
por el compresor rodea la cámara de combustión 16 para ser admitido
a circular en el interior de los álabes 22 antes de ser expulsado
de éstos, principalmente por orificios que se extienden a lo largo
de sus bordes de fuga. El aire expulsado se mezcla en el flujo de
los gases de combustión que han atravesado la rueda de álabes 14,
estando este flujo canalizado hacia otra turbina no representada.
Cada cavidad 48 de circulación de aire desemboca en la base del pie
de álabe 44 en el paso 46 definido anteriormente. Aguas debajo de
la rueda de álabes, las extremidades de los alveolos (y por
consiguiente los pasos 46) están recubiertas por un disco anular
50. Aguas arriba, un disco de laberinto 52 está fijado al disco de
rotor 36 para definir con él un circuito de alimentación de aire de
refrigeración que se comunica con el conjunto de los pasos 46
situados bajo los pies de álabe.
El disco de laberinto 52 está unido al disco de
rotor 36 y al árbol 34 mediante el mismo conjunto de pasadores 38.
Comprende nervaduras 54 para proporcionar rigidez que miran hacia el
disco de rotor. Unas juntas están definidas por dientes anulares
56, 58 que cooperan con superficies anulares 60, 62 correspondientes
solidarios de la carcasa 28. Para permitir la extracción de una
parte del aire inyectado en la carcasa 28, una tobera 64 de
estructura anular se extiende entre una serie de orificios de salida
66 practicados en la pared de la carcasa y una serie de orificios
de entrada 68 practicados en la pared del disco de laberinto. Así,
se inyecta permanentemente aire a presión en un espacio anular
definido entre el disco de laberinto y el disco de rotor. Este
espacio anular se comunica con los pasos 46, como se verá más
adelante.
De acuerdo con un característica notable de la
invención, un ala de enganche anular 70 está intercalada entre el
borde exterior 71 del disco de laberinto 52 y el citado disco de
rotor 14, para estabilizar la posición del citado borde exterior 71
del disco de laberinto cuando este último tiene tendencia a
deformarse por el efecto de la fuerza centrífuga y del calor. Para
ello, el ala de enganche 70 comprende un saliente de retención 72
que forma un gancho anular exterior 71 en el cual se encastra el
borde exterior del disco de laberinto y un saliente de apoyo 74 que
forma gancho anular interior 75 acoplado en una cavidad
circunferencial axial 76 del disco de rotor 36. Además, el ala de
enganche comprende pasos para el flujo del aire hacia los pies de
álabe. Más precisamente, el ala de enganche comprende agujeros 78
dispuestos en frente de las extremidades de los alveolos 40
definidos en la periferia del disco de rotor y en los cuales están
acoplados los citados pies de álabes, respectivamente. Está
prevista una orientación del ala de enganche 70 con relación al
disco de rotor 36 para que los agujeros 78 estén bien dispuestos en
la prolongación de los alveolos. Además, ventajosamente, cada
agujero 78 practicado en el ala de enganche 70 tiene un contorno
parecido al de la sección transversal del paso 46 definido en el
alveolo en frente, por debajo del pie de álabe correspondiente. Esta
particularidad es más particularmente visible en la figura 3. Se
limitan así las pérdidas de carga en esta parte del circuito de
flujo de aire.
Como muestra el esquema de la figura 4, la
fuerza centrífuga B que es ejercida por el disco de laberinto sobre
el ala de enganche, en el punto de apoyo materializado por el
saliente 72, provoca una reacción A en el punto de apoyo
materializado por el saliente 74. Si g es la separación axial entre
A y B, un par gA provoca una acción f de la parte radialmente más
externa del ala de enganche hacia el disco de rotor 36, con f =
Ag/L, siendo L la distancia radial entre el saliente 74 y el punto
de apoyo de f. Esta acción f tiene por consiguiente tendencia a
impedir una fuga de aire entre el disco de rotor y el ala de
enganche, aumentando el apoyo de este último sobre el disco de
rotor.
Además, el disco de laberinto 52 está montado
con pre-tensión axial en apoyo periférico sobre el
ala de enganche 70. Eventualmente, una junta 80 puede estar
interpuesta entre el disco de laberinto y el ala de enganche. El
disco de laberinto 58 comprende un sobre espesor periférico que
favorece su empotramiento en el saliente de retención 72 del ala de
enganche.
En la variante ilustrada en la figura 5, los
elementos de estructura análogos a los del modo de realización
representado en las figuras 1 a 3 llevan las mismas referencias
numéricas y no se describirán de nuevo. Esta variante se distingue
por el hecho de que el ala de enganche 70a se prolonga radialmente
hacia el interior más allá del saliente de apoyo 74 en frente del
disco de laberinto 52. Se ha conformado de manera que siga estando
sensiblemente pegado contra las nervaduras 54 de este último. De
esta manera, el circuito de flujo de aire de refrigeración está más
netamente definido a lo largo del disco de laberinto 52, entre las
nervaduras 54 de este último.
En funcionamiento, una parte del aire comprimido
inyectado en la carcasa 28 se escapa por los orificios 66 de ésta y
es guiado hacia los álabes huecos 22 de la rueda de álabes para
refrigerarlos, en lugar de servir de combustible en la cámara de
combustión 16. El ala de enganche 70 ó 70a mantiene el borde
exterior del disco de laberinto en posición y evita cualquier fuga
de aire en la periferia del disco de laberinto.
Claims (6)
1. Turbo máquina que comprende una rueda de
álabes (14), estando los citados álabes huecos y refrigerados
interiormente mediante circulación forzada de aire de refrigeración,
estando cada álabe (22) montado en la periferia de un disco de
rotor, del tipo en el cual un disco de laberinto (52) está asociado
al citado disco de rotor para definir un circuito de alimentación
de aire de refrigeración que se comunica con cavidades de
circulación de aire (48) definidas en los citados álabes y que se
abren en la base de los pies de álabe (44) unidos al citado disco
giratorio, canalizando el citado disco de laberinto el aire hacia
estos pies de álabe, caracterizado porque un ala de enganche
anular (70) está intercalado entre el borde exterior del citado
disco de laberinto y el citado disco de rotor, porque la citada ala
de enganche comprende un saliente de retención radial externo (72)
que forma gancho anular exterior en el cual se encastra el borde
exterior del citado disco de laberinto y un saliente de apoyo
radial interno (74) que forma un gancho anular interior acoplado en
una cavidad circunferencial axial al citado disco de rotor y porque
la citada ala de enganche comprende pasos (78) para el flujo del
aire hacia los pies de álabe.
2. Turbo máquina de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizada porque la citada ala de
enganche (70) comprende agujeros (78) dispuestos en frente de los
alveolos (40) definidos en la periferia del disco de rotor y en los
cuales están acoplados los pies de álabe citados anteriormente,
respectivamente.
3. Turbo máquina de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque la citada ala de
enganche (70a) se prolonga más allá del citado saliente de apoyo
radialmente hacia el interior, en frente del citado disco de
laberinto (52).
4. Turbo máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el citado
disco de laberinto (52) está montado con
pre-tensión axial en apoyo periférico sobre la
citada ala de enganche.
5. Turbo máquina de acuerdo con la
reivindicación 4, caracterizada porque una junta (80) está
interpuesta entre el citado disco de laberinto y la citada ala de
enganche en la zona del apoyo periférico citado anteriormente.
6. Turbo máquina de acuerdo con una de las
reivindicaciones 2 a 5, caracterizada porque cada agujero
(78) practicado en la citada ala de enganche tiene un contorno
parecido al de la sección transversal de un paso 46 definido en el
alveolo en frente, por debajo del pie de álabe correspondiente.
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