BR112016007481B1 - Método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor, setor para a montagem e estágio para uma turbina a vapor - Google Patents

Método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor, setor para a montagem e estágio para uma turbina a vapor Download PDF

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Marco Grilli
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Abstract

método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor, setor para a montagem e estágio para uma turbina a vapor. trata-se de um método para fabricar um estágio (1) de uma turbina a vapor que compreende as etapas de fresar um bloco de material para definir um setor (2) que tem uma pluralidade de palhetas (6), sendo que cada palheta (6) tem uma superfície externa (7); usinar uma abertura (8) superfície externa (7) de pelo menos uma das palhetas (6); usinar uma cavidade (9) em comunicação fluida com a abertura (8); sendo que a etapa de usinagem de uma cavidade (9) é realizada por usinagem de descarga elétrica por fio.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a um método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor. Especificamente, o método se refere à fabricação de um estágio que tem palhetas ocas.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Em turbinas a vapor, condensação parcial do vapor ocorre em seu último estágio ou últimos estágios.
[003] Em particular, ocorre condensação na porção do aerofólio das palhetas de estator de um denominado “estágio de condensação”, tipicamente o último estágio da turbina.
[004] Caso gotículas sejam geradas em consequência da condensação, elas deixam as palhetas de estator estáticas e atingem as palhetas de rotor em rotação. Portanto, podem ocorrer danos às palhetas de rotor.
[005] De modo a reduzir os danos causados pelas gotículas, a velocidade de rotação das palhetas de rotor pode ser reduzida. No entanto, dessa forma a eficácia da turbina também é reduzida.
[006] Alternativamente, de modo a reduzir qualquer dano às palhetas de rotor, existem soluções para coletar a condensação antes da geração de gotículas.
[007] A mais típica dessas soluções consiste em usar palhetas de estator ocas nas quais é provável que ocorra condensação, fornecer orifícios e/ou ranhuras através da porção do aerofólio das palhetas que se estendem da superfície do aerofólio à cavidade interna e sugar da cavidade interna de modo que qualquer condensação deixe a superfície do aerofólio e entre na cavidade interna. Dessa forma, a liberação de gotículas pode ser altamente reduzida.
[008] Um método para fabricar tal estágio de uma turbina a vapor é, portanto, conhecido. Tal método compreende as etapas de usinar um anel interno e um anel externo que têm, cada um, um respectivo canal. Cada um desses anéis tem uma superfície interna com uma pluralidade de orifícios em comunicação fluida com o canal. Uma pluralidade de palhetas de turbina é fabricada, sendo que cada palheta tem uma respectiva abertura e uma cavidade oca em comunicação fluida com o ambiente externo através da dita abertura.
[009] As palhetas são, então, soldadas aos anéis. Especificamente, cada orifício em um único anel é colocado em comunicação fluida com a cavidade de uma respectiva palheta.
[010] Como um resultado, no estágio montado, a água condensada pode ser extraída por meio da abertura de uma palheta, fluindo, assim, para a cavidade e, então, para o canal de um dos dois anéis.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[011] Uma desvantagem do estado da técnica acima descrito está na fase de soldagem do método descrito acima. Essa etapa precisa ser desempenhada tanto manualmente como com tolerâncias estritas. Isso leva a um elevado tempo de montagem e, consequentemente, aumento de custos.
[012] Um primeiro aspecto da invenção é, portanto, um método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor. O método compreende as etapas de fresar um bloco de material para definir um setor com uma pluralidade de palhetas; usinar uma abertura na superfície externa de pelo menos uma das palhetas e uma cavidade em comunicação fluida com a abertura. A etapa de usinar uma cavidade é realizada por usinagem de descarga elétrica por fio.
[013] Uma vantagem desse método é a superação pelo mesmo do problema do estado da técnica, visto que deixa de existir a necessidade de soldar as palhetas manualmente. Nesse método, é mantida mínima a intervenção direta do técnico.
[014] Um segundo aspecto da invenção é um setor para a montagem de um estágio de uma turbina a vapor. Esse setor compreende uma porção central e uma porção periférica e uma pluralidade de palhetas. Cada palheta é anexada às porções central e periférica. Pelo menos uma das palhetas tem uma abertura em uma respectiva superfície externa e uma cavidade em comunicação fluida com a abertura. O setor é usinado a partir de um único bloco de material.
[015] Um terceiro aspecto da invenção é um estágio para uma turbina a vapor que compreende uma pluralidade dos setores acima referidos e pelo menos uma guia central e uma guia periférica. Os setores são vedados às guias.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[016] Detalhes adicionais e realizações específicas farão referência aos desenhos anexos.
[017] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um estágio de uma turbina a vapor de acordo com uma realização da presente invenção.
[018] A Figura 2 é uma vista em corte do estágio da Figura 1 ao longo do plano B-8.
[019] A Figura 2b é um detalhe esquemático C da vista em corte da Figura 2.
[020] A Figura 2c é uma vista em corte de um detalhe do estágio da Figura 1.
[021] As Figuras 3a, 3b e 3c são vistas em perspectiva de respectivas etapas do método para fabricar um estágio de uma turbina a vapor de acordo com uma realização da presente invenção.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[022] A descrição de realizações exemplificativas a seguir se refere aos desenhos anexos. Os mesmos números de referência em desenhos diferentes identificam o mesmo elemento ou elementos similares. A descrição detalhada a seguir não limita a invenção. Ao invés disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.
[023] Referências ao longo do pedido a "uma (1) realização" ou "uma realização" significam que uma função, uma estrutura ou uma característica particular descrita em relação a uma realização está incluída em pelo menos uma realização da matéria revelada. Assim, o uso das frases "em uma (1) realização" ou "em uma realização" em diversos momentos ao longo do relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma realização. Ademais, as funções, estruturas ou características particulares podem ser combinadas de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações.
[024] Portanto, um estágio de uma turbina a vapor será descrito com referência às Figuras anexas, as quais serão indicadas com o número 1.
[025] O estágio 1 tem um eixo geométrico central "A". O estágio tem uma zona central 1a e uma zona periférica 1b com relação ao eixo geométrico central "A". Em outras palavras, a zona central 1a pode ser considerada uma parte interna do estágio 1, enquanto a zona periférica 1b pode ser compreendida como uma parte externa do estágio 1 com relação ao eixo geométrico central "A". O fluxo de vapor dentro da turbina é descrito substancialmente ao longo do eixo geométrico central "A".
[026] O estágio 1 é dotado de uma pluralidade de palhetas 6. Cada palheta 6 se projeta radialmente a partir da zona central 1a para a zona periférica 1b. Além disso, cada palheta 6 tem uma superfície externa 7, que é definida por um aerofólio cujos parâmetros geométricos são escolhidos de acordo com a aplicação específica.
[027] Pelo menos uma das palhetas 6, preferencialmente diversas palhetas 6 e, mais preferencialmente, todas elas, tem uma abertura 8 na superfície externa 7. As palhetas 6 também são dotadas de uma cavidade 9 localizada em uma zona interna. Em outras palavras, as palhetas 6 são ocas.
[028] Em detalhes, a cavidade 9 se estende ao longo de pelo menos uma porção do comprimento radial da palheta 6, preferencialmente ao longo de todo o comprimento radial da palheta 6. Da mesma maneira, cada abertura 8 se estende ao longo de pelo menos uma porção do comprimento radial da palheta 6. No contexto da presente invenção, entende-se por "comprimento radial" o comprimento da palheta 6 ao longo de uma direção radial, a saber, uma direção perpendicular ao eixo geométrico central "A" do estágio 1 e que se projeta a partir do mesmo. A abertura 8 é configurada de modo a colocar a cavidade 9 em comunicação fluida com um volume fora da palheta 6.
[029] Mais particularmente, de modo que a cavidade 9 dentro da palheta 6 tenha uma superfície interna 10. A superfície interna 10 é uma superfície regrada. No contexto da presente invenção, entende-se pelo termo "superfície regrada " uma superfície em que cada ponto pertence a pelo menos uma linha reta a qual, por sua vez, está inteiramente na superfície. Em outras palavras, uma superfície regrada pode ser descrita como um conjunto de pontos alcançados por uma linha reta móvel. A título de exemplo, superfícies regradas são cilindros, cones ou hiperboloides. Uma esfera não é uma superfície regrada.
[030] Com referência à Figura 2, observe que a cavidade 9 aparece denteada apenas porque o plano B-B, mostrado na Figura 1, é transversal à palheta 6. Com referência à seção da palheta 6 mostrada na Figura 2c, observe que a cavidade 9 nela apresentada é uma superfície regrada, conforme descrito acima.
[031] O estágio 1 é dotado de pelo menos um canal 5, que pode ser localizado na zona periférica 1a e/ou na zona central 1b do estágio 1. Com ainda mais detalhes, o canal 5 pode ser colocado em conexão fluida com uma zona interna da turbina onde o estágio 1 é instalado. Mais particularmente, o canal 5 é colocado em comunicação fluida com as cavidades 9 das palhetas 6.
[032] O próprio canal 5 pode ser colocado em conexão fluida com uma zona de baixa pressão (não mostrada) fora da turbina. Dessa forma, parte do fluxo de vapor dentro da turbina pode ser sugado por meio das aberturas 8, para as cavidades 9 e, então, para o canal 5, removendo, assim, o vapor condensado da superfície externa 7 das palhetas 6.
[033] De acordo com uma realização da invenção, o estágio 1 compreende uma pluralidade de setores 2. Em particular, cada setor 2 é, geometricamente, um setor circular, isto é, um setor de um círculo ou, mais precisamente, de um anel circular. Cada setor 2 compreende uma porção central 2b e uma porção periférica 2a, bem como uma pluralidade das palhetas 6 acima mencionadas. Cada palheta 6 é anexada à porção central 2b e à porção periférica 2a.
[034] O estágio 1 também compreende uma guia central 3 e uma guia periférica 4. Ademais, os setores 2 são vedados às guias 3, 4. Especificamente, a porção central 2b e a porção periférica 2a são anexadas, cada uma, à respectiva guia 3, 4.
[035] Com maiores detalhes, ambas as porções 2a, 2b são dotadas de um trilho perfilado 11 que se encaixa na respectiva guia 3, 4.
[036] De fato, os canais 5 mencionados acima estão definidos entre os setores 2 e as guias 3, 4. Especificamente, a porção periférica 2a é acoplada à guia periférica 4, definindo, assim, um canal mais externo 5. A porção central 2b é acoplada à guia central 3, definindo, assim, um canal mais interno 5. De modo a isolar os canais 5 do ambiente dentro da turbina, vedações de canal apropriadas 12 são fornecidas entre o setor 2 e as guias 3, 4.
[037] Essas vedações de canal 12, mostradas esquematicamente na Figura 2b, compreendem um núcleo 13 de material rígido, preferencialmente metal, mais preferencialmente aço. A vedação de canal 12 também pode compreender um revestimento 14. O revestimento 14 pode ser feito preferencialmente de um material cerâmico, compósito ou plástico. Com mais detalhes, nessa organização o núcleo 13 está sanduichado entre duas ou mais camadas de revestimento 14.
[038] Alternativamente, o canal 5 poder ser tornado hermético soldando-se o setor 2 diretamente às guias 3, 4.
[039] Conforme mencionado acima, uma realização da presente invenção pode ou não ter ambos os canais 5, mas tem pelo menos um dos mesmos. Ademais, mesmo que dois canais 5 estejam presentes, eles podem ou não ser usados durante a operação normal.
[040] Observe que, de acordo com diversas realizações da invenção, cada setor 2 é usinado a partir de um único bloco de material. Em outras palavras, cada setor 2 é construído como uma única peça. Vantajosamente, isso permite construir um estágio 1 de uma turbina em que não há soldagem entre as palhetas 6 e a porção central 2b ou a porção periférica 2a.
[041] Em uma realização da presente invenção, o estágio 1 compreende quatro setores 2, sendo que cada um tem uma abertura angular de 90° em relação ao eixo geométrico central "A". Em outra realização da invenção, o estágio 1 compreende dois setores 2 sendo que cada um tem uma abertura angular de 180°. Outras realizações são possíveis, as quais compreendem diferentes números de setores 2, que, por sua vez, têm diferentes aberturas angulares.
[042] Preferencialmente, as guias 3, 4 têm uma abertura angular de 180°. Portanto, o estágio 1 compreende preferencialmente duas guias centrais 3 e duas guias periféricos 4.
[043] O método, de acordo com uma realização da presente invenção, portanto, compreende as etapas de usinar um bloco de material para definir um setor 2. Preferencialmente, diversos setores 2 são usinados. Mais preferencialmente, a usinagem é feita por meio de fresagem de um bloco de material. Ainda mais preferencialmente, todos os setores 2 de um estágio 1 são fresados de a partir um respectivo único bloco de material. Durante essa etapa, o formato externo de cada setor 2 é definido, incluindo as palhetas 6 com suas respectivas superfícies externas 7.
[044] A cavidade 9 é, então, cortada na superfície externa 7 de pelo menos uma das palhetas 6. Especificamente, de acordo com a realização preferencial da invenção, a cavidade 9 é cortada por usinagem de descarga elétrica por fio. Por esse motivo, a superfície interna resultante 10 da cavidade 9 é uma superfície regrada. A abertura 8 também é usinada durante essa etapa, preferencialmente por usinagem de descarga elétrica por contornamento com fresa.
[045] A guia central 3 bem como a guia periférica 4 são, então, fabricadas. Qualquer técnica de fabricação conhecida aplicável pode ser empregada. Portanto, essa etapa não será adicionalmente detalhada. Preferencialmente, as guias 3, 4 são fabricadas com uma curvatura levemente diferente, de modo que, quando forem unidas aos setores 2, as mesmas sejam levemente deformadas. Conforme explicado acima, nessa realização as guias 2, 4 têm uma abertura angular de 180°.
[046] O setor 2 é, então, deslizado para as guias 3, 4. Especificamente, dois setores 2 são deslizados para a guia central 3, conforme mostrado na Figura 3a. Especificamente, o trilho perfilado 11 da porção central 2b de cada setor 2 é inserido na guia central 3. Durante essa fase, a guia central 3, que não é perfeitamente circular, é elasticamente deformada pelo trilho 11. Dessa forma, a deformação elástica atua como uma pré-carga entre o setor 2 e a guia central 3, de modo a evitar movimentos relativos indesejados entre os dois componentes.
[047] Caso uma vedação de canal 12 esteja presente entre a guia central 3 e os setores 2, a mesma é instalada durante essa fase.
[048] Os setores 2 são, então, unidos juntamente. Os mesmos podem ser soldados ou uma vedação intersetorial específica (não mostrada nos desenhos) pode ser empregada. A vedação intersetorial pode compreender um núcleo de material rígido, preferencialmente metal e, mais preferencialmente, aço. A vedação intersetorial também pode compreender um revestimento de material deformável, preferencialmente borracha ou plástico.
[049] A guia periférica 4 é, então, colocada sobre os dois setores 2. Em maiores detalhes, a guia periférica 4 é deformada pelos setores 2 da mesma maneira descrita acima em referência à guia central 3.
[050] Os setores 2 são, então, vedados às guias 3, 4. Caso as vedações de canal 12 sejam empregadas, essa etapa pode ser desconsiderada. Caso contrário, essa etapa é realizada por meio de soldagem do setor 2 às guias 3, 4. Essa operação pode ser realizada por soldagem mecânica, sem a intervenção direta de um operador.
[051] Dessa forma, obtém-se uma metade de estágio, tal como aquele mostrado na Figura 3c. Unindo-se duas metades de estágio, o estágio descrito acima 1 pode ser montado.
[052] Por fim, deve ser observado que as etapas descritas acima são ordenadas apenas para facilitar a descrição. De fato, caso necessário, a ordem pode ser alterada. Por exemplo, os setores 2 podem ser unidos antes de serem inseridos nas guias 3, 4. Além disso, é possível outra realização na qual um setor 2 tem uma abertura angular de 180°, evitando, assim, a necessidade da etapa de unir.

Claims (14)

1. MÉTODO PARA FABRICAR UM ESTÁGIO (1) DE UMA TURBINA A VAPOR, caracterizado por compreender as etapas de: a) fresar um bloco de material para definir um setor (2) que tem uma pluralidade de palhetas (6), sendo que cada palheta (6) tem uma superfície externa (7); b) usinar uma abertura (8) na superfície externa (7) de pelo menos uma das palhetas (6); e c) usinar uma cavidade (9) em comunicação fluida com a abertura (8); sendo que a etapa de usinar a cavidade (9) é desempenhada por meio de usinagem de descarga elétrica por fio.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa de fabricar uma guia central (3) e uma guia periférica (4); deslizando pelo menos um setor (2) nas guias (3, 4).
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa de vedação do setor (2) às guias (3, 4).
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela etapa de vedação do setor (2) às guias (3, 4) ser realizada colocando-se uma vedação de canal (12) entre o setor (2) e as guias (3, 4).
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela etapa de vedação do setor (2) às guias (3, 4) ser realizada soldando-se o setor (2) às guias (3, 4).
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender adicionalmente uma etapa de vedação de dois setores (2).
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pela etapa de vedação de dois setores (2) ser realizada colocando-se uma vedação intersetorial entre dois setores (2).
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela vedação intersetorial compreender um núcleo (13) de material rígido, preferencialmente metal.
9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 8, caracterizado pela vedação intersetorial compreender um revestimento (14) de material deformável, preferencialmente borracha ou plástico.
10. SETOR (2) PARA A MONTAGEM, de um estágio (1) de uma turbina a vapor, caracterizado por compreender uma porção central (2b) e uma porção periférica (2a); uma pluralidade de palhetas (6), sendo que cada uma das ditas palhetas (6) tem uma superfície externa (7) e é anexada às porções central (2b) e periférica (2a); pelo menos uma das palhetas (6) tem uma abertura (8) na respectiva superfície externa (7) e uma cavidade (9) em comunicação fluida com a abertura (8), sendo que o setor (2) é usinado a partir de um único bloco de material.
11. SETOR (2), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelas porções central (2b) e periférica (2a) serem configuradas para deslizar, cada uma, para uma respectiva guia (3, 4).
12. SETOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 11, caracterizado por compreender adicionalmente um par de trilhos perfilados (11) localizados respectivamente na porção central (2b) e na porção periférica (2a), sendo que cada um dos trilhos (11) é configurado para encaixar na respectiva guia (3, 4).
13. SETOR (2), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 11 a 12, caracterizado pelas porções central (2b) e periférica (2a) serem configuradas para serem vedadas às guias (3,4) para definir um canal (5) entre cada porção (2a, 2b) e a respectiva guia (3, 4).
14. ESTÁGIO (1) PARA UMA TURBINA A VAPOR, caracterizado por compreender uma pluralidade de setores (2) conforme definido em qualquer uma das reivindicações 10 a 13, pelo menos uma guia central (3) e uma guia periférica (4), sendo que os setores (2) são vedados às guias (3, 4).
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