ES2382985T3

ES2382985T3 - Dispositivo amortiguador de vibraciones en uniones de álabes de turbomáquina, turbomáquina y motores asociados

Info

Publication number: ES2382985T3
Application number: ES09804573T
Authority: ES
Inventors: Adrien Jacques Philippe Fabre
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2009-08-05
Publication date: 2012-06-15
Anticipated expiration: 2029-08-05
Also published as: CA2732032A1; FR2934873A1; CA2732032C; ATE550520T1; FR2934873B1; RU2011108552A; BRPI0917586B1; JP2011530038A; US20110206530A1; EP2324205A1; RU2503825C2; EP2324205B1; JP5430657B2; BRPI0917586A2; US8801385B2; WO2010015660A1; CN102112702B; CN102112702A

Abstract

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala (5) y de un pie de pala (6) apto para insertarse en un alveolo (2) de un disco (1) portador de una rueda provista de alabes, siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared del citado alveolo de retención del citado pie (14a, 14b) a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala (6) y el alveolo (2), comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo (7) constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos (8, 10) y de materiales viscoelasticos (9), estando situada al menos una capa (9) de material viscoelastico (9) entre dos capas de materiales rigidos (8, 10), comprendiendo el calzo (7) dos partes, formando cada una un ramal lateral (7a, 7b) apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retención (14a, 14b), estando unidos los dos ramales uno al otro de manera que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma fondo de calzo (7c) de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales (7a, 7b), de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala (6).

Description

Dispositivo amortiguador de vibraciones en uniones de alabes de turbomaquina, turbomaquina y motores asociados

La presente invenci6n concierne al ambito de las turbomaquinas y, en particular al de los motores de turbina de gas, tales como los turborreactores, los turbopropulsores o los motores de helices rapidas (conocido tambien con el nombre de « propfans »). Esta se refiere a un dispositivo amortiguador de las vibraciones en las uniones de los alabes de estos motores.

Las turbomaquinas aeronauticas estan compuestas por una pluralidad de ruedas provistas de alabes, es decir de discos rotatorios en cuya periferia estan fijados alabes m6viles. Estas ruedas provistas de alabes son piezas particularmente sensibles porque deben responder en terminos de dimensionamiento a imperativos de resistencia mecanica a la rotaci6n y a la carga aerodinamica. El conjunto de estos aspectos hace que estas estructuras sean cargadas estaticamente y que, habida cuenta de los imperativos de duraci6n de vida de servicio, las amplitudes de vibraciones que estas experimentan deban mantenerse pequenas.

Implicando el diseno y la puesta a punto de una turbomaquina la coordinaci6n de varias disciplinas, el proceso de dimensionamiento es iterativo. El dimensionamiento vibratorio es efectuado con el fin de evitar la presencia de modos criticos en el intervalo de funcionamiento. El conjunto es validado al final del ciclo de diseno por un ensayo motor en el cual se miden las amplitudes vibratorias. Aparecen a veces fuertes niveles inducidos, ya sea por rapidas respuestas forzadas, sincronas o asincronas, o bien por inestabilidades. El diseno debe ser revisado entonces, lo que es particularmente largo y costoso.

El objetivo desde el punto de vista industrial es por tanto predecir lo mas pronto posible, en el ciclo de dimensionamiento, los niveles de respuesta vibratorios de las estructuras con el fin de tomar desde el principio del diseno las medidas correctoras que se impongan. En estos ejes, el amortiguamiento mecanico es un reto importante para los disenadores.

El amortiguamiento de las palas de los compresores es un problema particular que conviene tratar con cuidado, siendo estas particularmente sensibles a los fen6menos vibratorios, y esto tanto mas cuanto mayor es su longitud. Este problema es por tanto particularmente agudo con las palas de la primera etapa del compresor de baja presi6n, sea esta una etapa de turbopropulsor en el que la rueda provista de alabes no esta carenada, una etapa de turborreactor de doble flujo en el que la rueda o « soplante » esta carenada, o bien una rueda no carenada de un motor de helice rapida.

Este es ademas particularmente delicado en el caso de los motores de helices rapidas porque, por una parte, estas son lanzadas dos veces mas que las palas actuales de una soplante, por tanto mas sensibles a los fen6menos de oscilaci6n y, por otra, el hecho de tener dos filas de helices contrarrotatorias produce, debido al efecto de surco de la primera helice en la segunda, solicitaciones en excitaci6n forzada importantes. Se puede encontrar igualmente un acoplamiento entre modos de vibraciones de las dos filas de helices contrarrotatorias a traves de la estructura que las soporta y que puede ser destructivo para el motor. Ademas las helices rapidas, a diferencia de las helices carenadas, son sensibles a las cargas denominadas lP que se crean durante la puesta en incidencia del motor, especialmente durante la puesta en rotaci6n del avi6n en el despegue. Durante estas fases la pala de una helice rapida no ve la misma incidencia del flujo de aire segun su posici6n angular y esta por tanto es sometida a una excitaci6n especifica sincrona con el regimen del motor.

La fijaci6n de las palas al disco del compresor queda asegurada clasicamente por conjuntos de tipo uni6n ensartada, es decir por alveolos abiertos en los cuales se deslizan bulbos que constituyen los pies de las palas. Estos alveolos estan recortados en el disco y presentan paredes de retenci6n sobre las cuales se apoyan las caras correspondientes del pie de la pala.

Se han imaginado dispositivos de reducci6n de las vibraciones de las palas como, por ejemplo, el descrito en la patente US6102664 de la NASA, que consiste en pegar un material viscoelastico a las caras del pie de la pala que estan en contacto con las paredes de retenci6n de los alveolos del disco. Esta tecnica tiene el inconveniente de necesitar una modificaci6n del procedimiento de fabricaci6n de las palas de soplantes o de helices rapidas y de no estar adaptado a un montaje en reajuste en palas existentes. Esta tiene tambien el inconveniente de tener que cambiar toda la pala en caso de deterioro del dispositivo amortiguador, al contrario de una configuraci6n en la que el dispositivo amortiguador es distinto de la pala como se propone aqui.

Otro procedimiento de la tecnica anterior consiste en introducir un calzo entre la superficie del alveolo y la del bulbo de pie de pala. Un calzo de este tipo, descrito en la patente US 5240375 de la sociedad General Electric Company, se presenta en forma de varias capas metalicas ensambladas en sandwich, con una capa de acero austenitico encerrada entre dos capas de bronce fosforoso de bajo coeficiente de rozamiento. Este pretende sin embargo evitar el desgaste de las piezas en contacto y no tiene un impacto notable sobre la resistencia de las palas a las solicitaciones vibratorias.

En la solicitud de patente EP 2014873 de la solicitante, se describe un calzo con capas rigidas que alternan con capas de material elastico.

La presente invenci6n tiene por objeto la mejora del amortiguamiento vibratorio de los alabes de motores de aviones que son mantenidos en su disco por medio de uniones ensartadas.

A tal efecto, la invenci6n tiene por objeto un dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala y de un pie de pala apto para insertarse en un alveolo de un disco portador de una rueda provista de alabes, siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared de retenci6n del citado alveolo, a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala y el alveolo, comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos, comprendiendo el calzo dos partes, formando cada una un ramal lateral apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retenci6n, estando los dos ramales laterales unidos uno al otro, de modo que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma el fondo de calzo de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales, de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala.

La introducci6n de un calzo estratificado que comprenda al menos una capa de material viscoelastico y dos capas de materiales rigidos, permite, por la disipaci6n de energia que este genera, aumentar el amortiguamiento de las vibraciones de las palas. Esto permite desplazar los modos de vibraci6n de las palas hacia las frecuencias mas bajas y asi reenviarlos por debajo del regimen de ralenti del motor. El posicionamiento de la parte que forma fondo de calzo, aguas arriba o aguas abajo del pie de pala, permite garantizar que los ramales laterales se situen de modo 6ptimo en contacto con las paredes de retenci6n, sin una interferencia que podria ser creada por un contacto entre el fondo de calzo y el fondo del alveolo o bien el pie de pala. Se asegura asi que los desplazamientos relativos de las capas que constituyen las paredes laterales no seran perturbados y que asi estas paredes aseguraran su funci6n de amortiguamiento.

De acuerdo con modos de realizaci6n preferidos:

-: el calzo esta constituido por el ensamblaje de un numero impar de capas superior a 3, sucediendo las capas de materiales viscoelasticos alternativamente a las capas de materiales rigidos y siendo realizadas las capas externas de materiales rigidos.

-: las caracteristicas del material viscoelastico varian de una capa a otra.

-: las caracteristicas del material rigido varian de una capa a otra.

-: el fondo de el calzo forma una sola pieza con una de las capas de materiales rigidos de los ramales laterales.

-: el calzo es obtenido a partir de una pieza plana constituida por tres segmentos consecutivos, separados uno de otro por lineas de plegado, estando situado el segmento que forma fondo de calzo entre los dos segmentos que forman los ramales laterales.

La invenci6n tiene igualmente por objeto una turbomaquina que comprende al menos un disco portador de una rueda provista de alabes, en la que los alabes quedan insertados en los alveolos del disco por medio de la introducci6n de un dispositivo de amortiguamiento vibratorio descrito anteriormente.

De acuerdo con modos preferentes:

-: el disco de la etapa de soplante de un motor de turbina de gas dotado de una soplante esta equipado con un dispositivo de amortiguamiento vibratorio descrito anteriormente.

-: el disco de al menos una de las etapas portadoras de helices no carenadas de un motor de helices rapidas esta equipado con un dispositivo de amortiguamiento vibratorio descrito anteriormente

Otras caracteristicas y ventajas se deduciran de la descripci6n que sigue de diversos modos de realizaci6n de la invenci6n, refiriendose a los dibujos anejos.

En estos dibujos,

-: la figura 1 es una vista en corte de un disco de compresor que utiliza la tecnologia de helice de las uniones ensartadas,

-: la figura 2 es una vista en perspectiva de un alveolo en el caso de una pala de helice de paso variable,

-: la figura 3 es una vista en corte del dispositivo de mantenimiento de un alabe por un alveolo de un disco, de acuerdo con la tecnica anterior,

-: la figura 4 es una vista en corte de los materiales constitutivos de un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n, sometido a una tensi6n de compresi6n,

-: la figura 5 es una vista en corte de los materiales constitutivos de un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n, sometido a una tensi6n de cizalladura,

-: la figura 6 es una vista en planta de un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n, antes de su puesta en forma por plegado,

-: las figuras 7 y 8 son respectivamente una vista frontal y una vista en corte desde arriba de un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n, despues de su puesta en forma por plegado,

-: la figura 9 es una vista en corte del dispositivo de mantenimiento de un alabe por el alveolo de un disco, con un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n interpuesto entre el alveolo y el pie de pala, y

-: la figura 10 es una vista en corte de una pala y de su pie en posici6n en el alveolo de un disco, con un calzo de acuerdo con un modo de realizaci6n de la invenci6n, que muestra la transmisi6n de los esfuerzos y el sentido de los desplazamientos asociados.

Refiriendose a la figura 1, se ve un disco de compresor 1 para una turbomaquina, cuya periferia esta recortada por alveolos 2 repartidos regularmente en toda la circunferencia. La figura 2 muestra una uni6n ensartada para un motor de paso variable; el alveolo 2 esta recortado en una pieza cilindrica 3 que termina en su extremidad inferior por un pivote 4 sostenido por el disco 1 y montado libre en rotaci6n. El alveolo 2 esta abierto radialmente hacia el exterior para dejar pasar la pala y presenta dos paredes 14 de retenci6n destinadas a retener la pala cuando el motor esta en funcionamiento. La figura 3 muestra el pie 6 de una pala 5, en forma de bulbo o de cola de milano, que esta insertado en un alveolo 2 de un segmento del disco 1.

Refiriendose ahora a la figura 4, se ve un material estratificado destinado a constituir un calzo 7 apto para ser insertado entre el pie 6 de una pala 5 de compresor y las paredes de retenci6n 14a y 14b del alveolo 2 del disco 1 correspondiente. En el ejemplo representado, el material estratificado esta compuesto por tres capas apiladas, fijadas una a otra, que estan realizadas, para las dos capas exteriores 8 y 10 en materiales rigidos, como por ejemplo materiales metalicos, y para la capa intermedia 9 en un material viscoelastico.

La viscoelasticidad es la propiedad de un s6lido o de un liquido que, cuando es deformado, muestra un comportamiento a la vez viscoso y elastico por una disipaci6n y un almacenamiento simultaneos de energia mecanica.

Las caracteristicas, is6tropas o anis6tropas, de elasticidad del material rigido son elegidas superiores a aquellas, is6tropas o anis6tropas, del material viscoelastico en el intervalo de funcionamiento termico y frecuencial deseado del motor. A titulo de ejemplo no limitativo, el material de la capa rigida puede ser metalico o compuesto, y el material de la capa viscoelastica de tipo elast6mero, caucho, silicona, polimero, vidrio o resina epoxi.

El numero de tres capas es puramente indicativo, pudendo ser este numero superior, siempre que haya una sucesi6n de capas rigidas y de capas viscoelasticas y que las capas externas sean de materiales rigidos. El numero de capas es definido en funci6n, por una parte, del espacio disponible y, por otra, de la rigidez y la viscosidad que convenga dar al calzo 7 para conseguir el amortiguamiento deseado. De acuerdo con las aplicaciones, las capas de materiales viscoelasticos y las capas de materiales rigidos pueden ser de iguales dimensiones o de dimensiones diferentes. Cuando el calzo comprende varias capas de materiales viscoelasticos, estas pueden presentar todas las mismas caracteristicas mecanicas o bien presentar caracteristicas diferentes. Asimismo, las capas de materiales rigidos presentan todas las mismas caracteristicas mecanicas o bien presentan caracteristicas diferentes.

En la figura 4, el material estratificado esta sometido a una tensi6n de compresi6n, para la cual no hay deformaci6n notable. En cambio, en la figura 5, el material estratificado esta sometido a una tensi6n de cizalladura y se ve un desplazamiento lateral, deformandose la capa 9 de material viscoelastico para permitir este desplazamiento. La deformaci6n asociada permite disipar una parte de la energia transmitida por el movimiento de la pala 5 y asi modificar los modos vibratorios de esta.

En la figura 6, se ve una de las capas externas de un calzo de acuerdo con la invenci6n, antes de su puesta en forma, que esta constituida por una cinta formada por tres segmentos lineales consecutivos, separados uno de otro por dos lineas de plegado 11 y 12. Las figuras 7 y 8 muestran respectivamente una vista de frente y una vista desde arriba, en corte segun la direcci6n VIII, de un calzo de acuerdo con la invenci6n despues de su plegado a lo largo de las lineas de plegado 11 y 12. En el modo de realizaci6n representado, solo los dos segmentos exteriores 7a y 7b del calzo presentan una estructura estratificada, estando realizado el tercer segmento 7c, situado entre las dos lineas de legado 11 y 12, en una simple capa de material rigido, sin modificaci6n. Por razones de simplificaci6n de la realizaci6n, el tercer segmento 7c esta realizado en la continuidad de la capa externa 10 que esta destinada a estar colocada en el interior del plegado. En otro modo de realizaci6n, el tercer segmento 7c puede ser realizado en la continuidad de la capa externa 8 que esta destinada ser colocada en el exterior del plegado, o en la continuidad de una de las capas intermedias de material rigido si el dispositivo las comprende.

En esta configuraci6n, el calzo, visto desde arriba, tiene una forma sensiblemente en U, estando sin embargo los dos ramales laterales 7a y 7b de la U inclinados con respecto al plano de simetria de la U, despues de una rotaci6n alrededor de una recta paralela a este plano. La base de la U, que forma el fondo de calzo 7c, es perpendicular a este plano y tiene por objeto unir los dos ramales laterales del calzo 7. Esta esta destinada a situarse contra la pala 5, en la extremidad aguas arriba o aguas debajo de su pie 6, refiriendose al sentido de circulaci6n del flujo de aire en el motor.

En la figura 9 se ven dos partes de un calzo 7, colocado en un alveolo 2 de un disco de compresor 1. Los dos ramales 7a y 7b estan interpuestos entre las paredes superiores 13a y 13b del pie 6 de pala 5 y las paredes de retenci6n 14a y 14b del alveolo 2. Debido a la forma plana de las capas de material viscoelastico y a que estas quedan mantenidas entre dos capas planas de material rigido, estas se deforman poco bajo el efecto de la compresi6n debida a la transmisi6n de los esfuerzos centrifugos de la pala a las paredes de retenci6n 14a y 14b. En cambio, estas conservan sus aptitudes a la deformaci6n en el plano de las capas.

Durante la puesta en rotaci6n de las palas, el calzo 7 es, por una parte, comprimido, debido al esfuerzo centrifugo ejercido sobre el pie de pala 6 por la rotaci6n del compresor y, por otra, sometido a una cizalladura que es funci6n del angulo que forman las paredes de retenci6n 14a y 14b con la direcci6n radial que pasa por el centro del alveolo

2. �ajo esta tensi6n de cizalladura la capa viscoelastica 9 se deforma y las capas rigidas 10 de los dos ramales 7a y 7b que estan situadas en contacto con el pie de pala 6, se desplazan radialmente hacia el exterior. Una vez que el regimen del motor alcanza un valor constante, y en ausencia de solicitaci6n vibratoria, el calzo 7 se mantiene estacionario, en esta posici6n deformada.

La figura 10 muestra los esfuerzos a los que es sometido el calzo 7, durante una vibraci6n en flexi6n de la pala 5, es decir durante un desplazamiento de esta a lo largo del eje de rotaci6n del motor. El pie 6 de la pala 5 es arrastrado en un movimiento de rotaci6n alrededor de un eje colineal con el eje central del alveolo 2 y se generan esfuerzos de cizalladura complementarios en los ramales laterales 7a y 7b del calzo 7. En el caso del sentido de desplazamiento de la pala 5 representado en la figura 10, el ramal derecho 7b ve aumentar su cizalladura mientras que el del ramal izquierdo 7a la ve disminuir. Despues, la vibraci6n en flexi6n tiende a hacer volver la pala 5 en el sentido inverso; el ramal 7b ve entonces disminuir su cizalladura y el ramal 7a la ve aumentar. El desplazamiento alternativo que esta flexi6n induce en el material viscoelastico provoca una disipaci6n de la energia de vibraci6n y genera el amortiguamiento deseado.

Debera observarse que el posicionamiento del fondo de calzo 7c evita que este interfiera con los desplazamientos de los ramales laterales 7a y 7b y que aparezcan en estos ramales tensiones parasitas si el fondo de calzo entrara en contacto con el pie 6 del alabe o con el fondo del alveolo 2.

Claims

REIVINDICACIONES

1.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio para un alabe de turbomaquina provisto de una pala (5) y de un pie de pala (6) apto para insertarse en un alveolo (2) de un disco (1) portador de una rueda provista de alabes, siendo el citado dispositivo apto para quedar situado entre el citado pie de pala y una pared del citado alveolo de retenci6n del citado pie (14a, 14b) a nivel del contacto realizado en funcionamiento entre el pie de pala (6) y el alveolo (2), comprendiendo el citado dispositivo al menos un calzo (7) constituido por un ensamblaje de capas de materiales rigidos (8, 10) y de materiales viscoelasticos (9), estando situada al menos una capa (9) de material viscoelastico (9) entre dos capas de materiales rigidos (8,10), comprendiendo el calzo (7) dos partes, formando cada una un ramal lateral (7a, 7b) apto para ser insertado a lo largo de una de las dos paredes de retenci6n (14a, 14b), estando unidos los dos ramales uno al otro de manera que constituyen una pieza unica, por una tercera parte que forma fondo de calzo (7c) de material rigido, caracterizado porque el citado fondo de calzo esta situado, con respecto a los ramales laterales (7a, 7b), de modo que despues del montaje se encuentra en la extremidad aguas arriba o aguas abajo del pie de pala (6).
2.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicaci6n 1 en el cual el calzo 7 esta constituido por el ensamblaje de un numero impar de capas superior a 3, sucediendo las capas (9) de materiales viscoelasticos alternativamente a las capas de materiales rigidos y en el cual las capas externas (8, 10) estan realizadas en materiales rigidos.
3.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicaci6n 2 en el cual las caracteristicas del material viscoelastico varian de una capa a otra.
4.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 en el cual las caracteristicas del material rigido varian de una capa a otra.
5.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4 en el cual el fondo (7c) del calzo forma una sola pieza con una de las capas de materiales rigidos (8, 10) de los ramales laterales (7a, 7b).
6.

Dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con la reivindicaci6n 5 en el cual el calzo (7) es obtenido a partir de una pieza plana constituida por tres segmentos consecutivos, separados uno de otro por lineas de plegado (11, 12), estando situado el segmento de fondo de calzo (7c) entre los dos segmentos que forman los ramales laterales (7a, 7b).
7.

Turbomaquina que comprende al menos un disco (1) portador de una rueda provista de alabes, en la cual los pies

(6) de las palas estan insertados en los alveolos (2) del disco (1) por medio de la introducci6n de un dispositivo de amortiguamiento vibratorio de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.
8.

Motor de turbina de gas dotado de una soplante en la cual el disco (1) de la etapa de soplante esta equipado con un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.
9.

Motor de helices rapidas en el cual el disco (1) de al menos una de las etapas portadoras de helices no carenadas esta equipado con un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.