ES2825098T3

ES2825098T3 - Dispositivo de soporte para la carcasa de una turbomáquina, carcasa de una turbomáquina y turbomáquina

Info

Publication number: ES2825098T3
Application number: ES18208584T
Authority: ES
Inventors: Martin Metscher; Jan Hägert
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: EP3492712A1; US20190170017A1; EP3492712B1; DE102017221669A1

Abstract

Dispositivo de soporte (10) para una carcasa (12) de una turbomáquina (100), para soportar las fuerzas que se producen en la carcasa (12) durante el funcionamiento de la turbomáquina (100), que comprende al menos un elemento del cubo (40) y al menos un elemento de soporte (20) para retener el elemento del cubo (40) en la carcasa (12), en donde el dispositivo de soporte (10) comprende al menos una articulación giratoria (30), mediante la cual el elemento del cubo (40) se conecta de manera giratoria al elemento de soporte (20), caracterizado porque, el al menos un elemento de soporte (10), está diseñado como un puntal y el al menos un elemento del cubo (40), tiene un orificio pasante (42) para recibir un elemento de eje (102) de la turbomáquina (100).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de soporte para la carcasa de una turbomáquina, carcasa de una turbomáquina y turbomáquina

La invención se refiere a un dispositivo de soporte para una carcasa de una turbomáquina, para soportar las fuerzas que se producen en la carcasa durante el funcionamiento de la turbomáquina, que comprende al menos un elemento del cubo y al menos un elemento de soporte para retener el elemento del cubo en la carcasa. Otros aspectos de la invención se refieren a la carcasa de una turbomáquina, así como a la turbomáquina.

La patente alemana núm. DE 102016 208 154 A1 describe una paleta guía de entrada de un compresor. La paleta guía de entrada comprende un puntal de retención para conectar un elemento de la parte interior del eje del rotor a un elemento de la carcasa, una aleta giratoria y una junta para sellar un espacio entre el puntal de retención y la aleta giratoria. La junta tiene al menos un cepillo con cerdas que se proyectan al menos parcialmente en la hendidura.

La patente de los Estados Unidos núm. US 2017/0030223 A1 describe una turbina de gas en la que una estructura metálica está formada por una pluralidad de puntales, a través de los cuales se puede transmitir la carga puede desde un cubo a una carcasa de la turbina de gas. El cubo soporta un rotor y transmite cargas estáticas y dinámicas a través de los puntales a la carcasa. Los puntales están integrados a una superficie del cubo, por ejemplo, soldados a la superficie del cubo. Una turbina de gas de este tipo también se puede encontrar en la patente inglesa núm. GB 2280 484 A. La patente europea núm. EP 2960437 A1 describe un dispositivo guía de una turbina de gas, con al menos un elemento de carcasa, que tiene al menos un primer segmento de conducto dispuesto radialmente en el interior del elemento de la carcasa, que limita radialmente al menos parcialmente hacia el exterior al menos un conducto por el que puede fluir un gas. La patente de los Estados Unidos núm. US 2013/216361 A1 describe la disposición de los álabes de un motor de turbina de gas con elementos de aletas. La patente europea núm. EP 2400 119 A2 describe una turbomáquina con un conjunto de álabes. La patente europea núm. EP 2 626 513 A1 también describe una turbomáquina con un conjunto de álabes.

El objetivo de la presente invención es crear un dispositivo de soporte, una carcasa y una turbina del tipo mencionado anteriormente, con los que sea posible una distribución de carga particularmente favorable de las fuerzas que ocurren durante la operación de la turbina. Este objetivo se logra con un dispositivo de soporte que tiene las características de la reivindicación 1, con una carcasa que tiene las características de la reivindicación 6 y con una turbina que tiene las características de la reivindicación 8. En las reivindicaciones dependientes se muestran características ventajosas con mejoras adecuadas de la invención.

Un primer aspecto de la invención se refiere a un dispositivo de soporte para la carcasa de una turbomáquina, de acuerdo con la reivindicación 1, para soportar las fuerzas que se producen en la carcasa durante el funcionamiento de la turbomáquina, que comprende al menos un elemento del cubo y al menos un elemento de soporte para retener el elemento del cubo en la carcasa. El elemento del cubo se puede diseñar de manera que sea rotacionalmente simétrico al menos en algunas áreas y puede tener, por ejemplo, una circunferencia exterior, en la que el elemento del cubo pueda apoyarse en la carcasa mediante el elemento de soporte o una pluralidad de elementos de soporte. El elemento de soporte puede tener un extremo del elemento en el lado de la carcasa, con el que el elemento de soporte se puede conectar a la carcasa, preferentemente por adherencia de material, por ejemplo, se puede soldar a la carcasa.

Además, el dispositivo de soporte comprende al menos una articulación giratoria, mediante la cual el elemento del cubo se conecta rotatoriamente al elemento de soporte. Esto es ventajoso porque impide la transmisión entre el elemento de soporte y el elemento del cubo de los momentos de flexión, que pueden ser causados por las fuerzas que se producen durante el funcionamiento de la turbomáquina. Al impedir la transmisión de los momentos de flexión, se puede evitar la aparición de tensiones de tracción inaceptablemente elevadas, provocadas los momentos de flexión, en un área de conexión en la que el elemento de soporte se conecta con el elemento del cubo. En cambio, una distribución e introducción de la carga particularmente favorable se logra mediante el uso de al menos una articulación giratoria para conectar el elemento del cubo con el elemento de soporte.

Durante el funcionamiento de la turbomáquina, la al menos una articulación giratoria puede permitir un desplazamiento inducido operacionalmente del elemento del cubo, por ejemplo, a lo largo del eje central de una abertura de la carcasa que se extiende a través de la misma. Dado que la articulación giratoria permite una rotación relativa entre el elemento del cubo y el elemento de soporte, se puede evitar la deformación crítica con la formación de tensiones críticas en el elemento de soporte causadas por los momentos de flexión. En cambio, la articulación giratoria favorece una deformación no crítica del elemento de soporte.

A diferencia de una conexión flexiblemente rígida, por ejemplo, en forma de una conexión soldada, entre el elemento de soporte y el elemento del cubo, la al menos una articulación giratoria puede liberar al menos una rotación relativa alrededor de al menos un eje de rotación entre el elemento del cubo y el elemento de soporte como resultado de las fuerzas, en particular de las fuerzas axiales, que actúan sobre el elemento del cubo durante el funcionamiento de la turbomáquina. Como resultado, se puede lograr una carga particularmente baja del dispositivo de soporte durante el funcionamiento de la turbomáquina.

De acuerdo con la invención, al menos un elemento de soporte está diseñado como un puntal. Esto es ventajoso porque dicho puntal tiene una estructura particularmente simple y permite que el elemento del cubo o las fuerzas relacionadas con el funcionamiento se apoyen en la carcasa con un flujo de fuerza particularmente favorable.

De acuerdo con la invención, también se prevé que el al menos un elemento de eje tenga un orificio pasante para recibir un elemento de eje, en particular un eje del rotor, de la turbomáquina. Esto es ventajoso porque el elemento del cubo permite un rodamiento particularmente favorable del elemento del eje, así como un flujo de fuerzas provocadas por el funcionamiento de baja tensión entre el elemento del eje y la carcasa.

Preferentemente el elemento del eje se puede diseñar de manera que soporte el elemento del eje al menos indirectamente. El soporte indirecto puede proporcionarse, por ejemplo, mediante un elemento de rodamiento dispuesto, en particular fijo, en el elemento del cubo, por ejemplo en forma de rodamiento de rodillos. En la posición de instalación del dispositivo de soporte y, por lo tanto, durante su uso previsto, el elemento de rodamiento se puede disponer, en particular fijo, entre el elemento del cubo y el elemento del eje.

En una mejora ventajosa de la invención, la al menos una articulación giratoria está diseñada en forma de articulación de bisagra. Esto es ventajoso porque la articulación de bisagra permite un movimiento de rotación dirigido (rotación relativa) alrededor de un eje de rotación. En consecuencia, la articulación de bisagra permite una distribución de cargas especialmente dirigida o la introducción de fuerzas provocadas por el funcionamiento.

En una mejora ventajosa de la invención, al menos una articulación giratoria está diseñada en forma de articulación esférica. Esto es ventajoso porque la articulación esférica permite varios movimientos de rotación alrededor de varios ejes de rotación. En consecuencia, la articulación esférica libera varios grados de libertad de rotación, con lo que se puede evitar incluso completamente la transmisión de los momentos de flexión resultantes de las fuerzas provocadas por el funcionamiento del elemento del cubo al elemento de soporte. Esto permite una distribución de cargas particularmente baja.

En una mejora ventajosa de la invención, la articulación giratoria tiene al menos un elemento articulado que se recibe rotacionalmente en una hendidura del elemento de soporte o del elemento del cubo. Esto es ventajoso porque permite un acoplamiento especialmente ahorrativo de espacio entre el elemento de soporte y el elemento del cubo a través de la articulación giratoria. Otra ventaja es que la disposición giratoria del elemento articulado en la hendidura no solo permite un movimiento de rotación entre el elemento de soporte y el elemento del cubo, sino que también permite restringir el ángulo de giro entre el elemento de soporte y el elemento del cubo con un esfuerzo particularmente pequeño. La razón de ello es que el elemento articulado, al ser recibido en la hendidura, puede formar simultáneamente un tope en el que el elemento articulado se puede apoyar en varios puntos del elemento de soporte cuando se alcanza un ángulo de giro máximo permitido.

En una mejora ventajosa de la invención, el al menos un elemento articulado es recibido por adherencia de forma en la hendidura del al menos un elemento de soporte o del al menos un elemento del cubo. Esto es ventajoso porque la recepción por adherencia de forma crea un acoplamiento especialmente resistente a las pérdidas entre el elemento articulado y el elemento de soporte o el elemento de eje. Además, la recepción por adherencia de forma crea una conexión giratoria particularmente cargable, en la que se puede lograr una distribución de fuerza particularmente amplia entre el elemento articulado y el elemento de soporte.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a una carcasa para una turbomáquina, de acuerdo con la reivindicación 6, que tiene al menos un dispositivo de soporte de acuerdo con el primer aspecto de la invención. Esa carcasa permite una distribución particularmente favorable de la carga de las fuerzas que se producen durante el funcionamiento de la turbomáquina.

En una mejora ventajosa de la invención, la carcasa está diseñada como una carcasa intermedia de la turbina. Esto es ventajoso porque la carcasa intermedia de la turbina puede representar una interfaz particularmente favorable entre un lado de la turbina de alta presión y un lado de la turbina de baja presión de la turbomáquina. El gas caliente con una temperatura de gas de más de 1000 °C puede fluir del lado de la turbina de alta presión al lado de la turbina de baja presión a través de la carcasa intermedia de la turbina. Debido a la favorable distribución de cargas que se puede lograr mediante el dispositivo de soporte, la carcasa intermedia de la turbina equipada con el dispositivo de soporte, es decir, que comprende el dispositivo de soporte, presenta un comportamiento de deformación especialmente bajo, incluso cuando el gas caliente pasa a través de la carcasa intermedia de la turbina a una temperatura de gas tan alta.

Un tercer aspecto de la invención se refiere a una turbomáquina de acuerdo con la reivindicación 8, que tiene al menos un dispositivo de soporte de acuerdo con el primer aspecto de la invención y/o una carcasa de acuerdo con el segundo aspecto de la invención. En una turbomáquina de este tipo es posible una distribución de cargas particularmente favorable de las fuerzas que se producen durante el funcionamiento de la turbomáquina. En una mejora ventajosa de la invención, la turbomáquina es una turbina de gas. Una turbina de gas tiene una eficiencia particularmente alta.

Además, una turbina de gas equipada con el dispositivo de soporte muestra un comportamiento de deformación particularmente favorable, incluso a altas temperaturas del gas o a altas fuerzas provocadas por el funcionamiento.

Las modalidades de uno de los aspectos de la invención, en particular sobre las características individuales de este aspecto, también se aplican de forma análoga a los demás aspectos de la invención. Otras características de la invención resultan de las reivindicaciones, las figuras y su descripción. Estas características y combinaciones de características mencionadas anteriormente en la descripción, así como las características y combinaciones de características mencionadas a continuación en el ejemplo de modalidad, se pueden utilizar no solo en la combinación indicada en cada caso, sino también en otras combinaciones sin salirse del alcance de la invención. Por consiguiente, se deben considerar incluidas y descritas incluso las características de la invención que no se muestran ni se explican explícitamente en las figuras, pero que surgen de las características explicadas y que pueden producirse mediante combinaciones separadas de características. Las modalidades y combinaciones de características también se considerarán reveladas, aun cuando no tengan todas las características de una reivindicación independiente formulada originalmente. Además, se considerarán descritas las modalidades y combinaciones de características, en particular por las modalidades antes mencionadas, que superen o se aparten de las combinaciones de características establecidas en las referencias cruzadas de las reivindicaciones.

Se muestran:

En la Figura 1, un área parcial de una turbomáquina;

En la Figura 2, una representación esquemática de una carcasa de la turbina, así como un dispositivo de soporte fijado a la carcasa de acuerdo con un área A mostrada en la Figura 1;

En la Figura 3, una representación esquemática de una conexión cubo-puntal conocida en el estado de la técnica.

La Figura 1 muestra un área parcial de una turbomáquina 100, mostrada solo por secciones y diseñada como una turbina de gas. La turbomáquina 100 comprende una carcasa 12, que en este caso está diseñada como una carcasa intermedia de la turbina. Durante el funcionamiento de la turbomáquina 100, un elemento del eje 102 de la turbomáquina 100 gira dentro de una abertura de la carcasa 14 de la carcasa 12. Además, el gas caliente 104 fluye a través de la abertura de la carcasa 14 de la carcasa 12 y lo hace desde el lado de la turbina de alta presión de la turbomáquina 100 hacia el lado de la turbina de baja presión de la turbomáquina 100. La abertura de la carcasa 14 está diseñada como un orificio pasante similar a un conducto.

La Figura 2 muestra una representación esquemática de la carcasa 12 de acuerdo con un área delimitada A, mostrada en la Figura 1, en donde el dispositivo de soporte 10 se dispone en el orificio pasante 14 de la carcasa 12. El dispositivo de soporte 10 se utiliza para soportar las fuerzas que se producen durante el funcionamiento de la turbomáquina 100, como por ejemplo, una fuerza axial F_A en la carcasa 12, ilustrada con una flecha en la Figura 2. El dispositivo de soporte 10 comprende un elemento del cubo 40, sobre el que se aplica la fuerza axial F_A.

Además, el dispositivo de soporte 10 comprende una pluralidad de elementos de soporte diseñados como puntales, de los cuales solo se muestra aquí un único elemento de soporte 20. Cada uno de los elementos de soporte se puede conectar, por ejemplo, a la carcasa 12 por adherencia de material, es decir, por ejemplo, soldado. El elemento de soporte 20, en forma de puntal, sirve para retener el elemento del cubo 40 en la carcasa 12. Las siguientes modalidades relativas al elemento de soporte 20 también se aplican de forma análoga a los otros elementos de soporte no mostrados en la Figura 2, que se disponen de forma circunferencial a lo largo de la carcasa 12 en la abertura de la carcasa 14 y cada uno de ellos está conectado de forma giratoria al elemento del cubo 40.

El elemento del cubo 40 tiene un orificio pasante 42 para recibir el elemento del eje 102, que en este caso está diseñado como eje del rotor de la turbomáquina 100. La fuerza axial F_A puede ocurrir, por ejemplo, como resultado de los cambios de longitud relacionados con la temperatura del elemento del eje 102, por nombrar solo un ejemplo.

El dispositivo de soporte 10 comprende varias articulaciones giratorias, cada una de las cuales está conectada a cada uno de los elementos de soporte y al elemento del cubo 40. En la Figura 2 se muestra una sola articulación giratoria 30. Por medio de las articulaciones giratorias, el elemento del cubo 40 se conecta rotatoriamente al elemento de soporte 20. En este caso, las articulaciones giratorias están diseñadas como articulaciones de bisagra. Alternativamente, las articulaciones giratorias también se pueden diseñar como articulaciones esféricas. Las siguientes modalidades relativas a la articulación giratoria 30 también se aplican de forma análoga a las otras articulaciones giratorias no mostradas en la Figura 2, cada una de las cuales está acoplada al elemento del cubo 40.

La articulación giratoria 30 puede liberar al menos una rotación relativa entre el elemento del cubo 40 y el elemento de soporte 20 como resultado de la fuerza axial F_A que actúa sobre el elemento del cubo 40.

Durante el funcionamiento de la turbomáquina 100, la articulación giratoria 30 (y, por tanto, todas las articulaciones giratorias) permite, por ejemplo, un desplazamiento axial inducido operacionalmente del elemento del cubo 40, por ejemplo, a lo largo de un eje central 16 de la abertura de la carcasa, que se extiende a través de la carcasa 12, en la que se coloca en este caso el dispositivo de soporte 10. En este caso, este eje central 16 también se corresponde con un eje central del elemento del cubo 40 y un eje del elemento del eje 102. Cuando el elemento del cubo 40 se desplaza, se produce una deformación no crítica 28 en forma de una flexión al menos ligera del elemento de soporte 20. Con ello se evita en gran medida la aparición de tensiones críticas en el dispositivo de soporte 10 y en particular en el elemento de soporte 20.

La articulación giratoria 30 tiene un elemento articulado 32 que se recibe de forma rotatoria en una hendidura 22 del elemento de soporte 20. Alternativamente, la hendidura 22 también se proporcionar en el elemento del cubo 40 y, en consecuencia, el elemento articulado 32 podría insertarse en el elemento del cubo 40. El elemento articulado 32 es recibido por adherencia de forma en la hendidura 22 del menos un elemento de soporte 20.

La Figura 3 muestra una conexión cubo-puntal 110 conocida en el estado de la técnica, que comprende un puntal 114 y un cubo 116. El puntal 114 y el cubo 116 están conectados rígidamente entre sí en un área de conexión 118, por ejemplo, mediante una unión soldada. El puntal 114 está soldado a un componente de la carcasa 112. Como resultado de la fuerza axial F_A que actúa sobre el cubo 116, se produce un desplazamiento del cubo 116 y se produce un área de tensión crítica 120, señalada con líneas discontinuas en la Figura 3, en la que se pueden producir tensiones inaceptablemente altas. Además, en el área del puntal 114 se produce una deformación desfavorable, en forma de S, de la conexión cubo-puntal 110 rígida a la torsión, como se puede apreciar en la Figura 3.

Sin embargo, el área de tensión desfavorable 120 que se muestra en la Figura 3, así como la deformación en forma de S, no se producen con el dispositivo de soporte 10 debido a las articulaciones giratorias. Por consiguiente, las articulaciones giratorias evitan también la aparición de tensiones por tracción inadmisiblemente altas en el dispositivo de soporte 10. Con las articulaciones giratorias se crea un correspondiente punto articulado, que permite una mejor distribución de la tensión relacionada con la carga, en comparación con la conexión cubo-puntal 110 conocida en el estado de la técnica.

Dado que la articulación giratoria 30 permite una rotación relativa entre el elemento del cubo 40 y el elemento de soporte 20, en otras palabras, se puede evitar también la deformación crítica en forma de S con la formación de tensiones críticas causadas por los momentos de flexión. En cambio, la articulación giratoria 30 favorece la deformación no crítica 28 del correspondiente elemento de soporte 20. Con la deformación no crítica 28, en lugar de la deformación en forma de S que se muestra en la Figura 3, solo se produce una flexión del elemento de soporte 20 como se muestra en la Figura 2.

Lista de referencia de los dibujos

10 Dispositivo de soporte

12 Carcasa

14 Abertura de la carcasa

16 Eje central

20 Elemento de soporte

22 Hendidura

28 Deformación

30 Articulación giratoria

32 Elemento articulado

40 Elemento del cubo

42 Orificio pasante

100 Turbomáquina

102 Elemento del eje

104 Gas caliente

110 Conexión cubo-puntal

112 Componente de la carcasa

114 Puntal

116 Cubo

118 Área de conexión

120 Margen de tensiones

F_A Fuerza axial

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de soporte (10) para una carcasa (12) de una turbomáquina (100), para soportar las fuerzas que se producen en la carcasa (12) durante el funcionamiento de la turbomáquina (100), que comprende al menos un elemento del cubo (40) y al menos un elemento de soporte (20) para retener el elemento del cubo (40) en la carcasa (12), en donde el dispositivo de soporte (10) comprende al menos una articulación giratoria (30), mediante la cual el elemento del cubo (40) se conecta de manera giratoria al elemento de soporte (20),

caracterizado porque,

el al menos un elemento de soporte (10), está diseñado como un puntal y el al menos un elemento del cubo (40), tiene un orificio pasante (42) para recibir un elemento de eje (102) de la turbomáquina (100).

2. Dispositivo de soporte (10) de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizado porque,

la al menos una articulación giratoria (30) está diseñada como una articulación de bisagra.

3. Dispositivo de soporte (10) de acuerdo con la reivindicación 1,

caracterizado porque,

la al menos una articulación giratoria (30) está diseñada como una articulación esférica.

4. Dispositivo de soporte (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado porque,

la al menos una articulación giratoria (30) comprende al menos un elemento articulado (32) que se recibe de manera giratoria en una hendidura (22) del elemento de soporte (20) o del elemento del cubo (40).

5. Dispositivo de soporte (10) de acuerdo con la reivindicación 4,

caracterizado porque,

el al menos un elemento articulado (32), es recibido por adherencia de forma en la hendidura (22) del al menos un elemento de soporte (20), o del al menos un elemento del cubo (40).

6. Carcasa (12) de una turbomáquina (100), que tiene al menos un dispositivo de soporte (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Carcasa (12) de acuerdo con la reivindicación 6,

caracterizada porque,

la carcasa (12) está diseñada como una carcasa intermedia de la turbina.

8. Turbomáquina (100), que tiene al menos un dispositivo de soporte (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 y/o que tiene una carcasa (12) de acuerdo con la reivindicación 6 o 7.

9. Turbomáquina (100) de acuerdo con la reivindicación 8,

caracterizada porque,

la turbomáquina (100) es una turbina de gas.