ES2244738T3 - Alabe para turbina que comprende un deflector de aire de refrigeracion. - Google Patents
Alabe para turbina que comprende un deflector de aire de refrigeracion.Info
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Abstract
Dispositivo de refrigeración de un álabe para turbina, que comprende un álabe (11), un disco (12), presentando el álabe un pie (13) que permite disponerlo en un alveolo (14) del disco (12) de la turbina, teniendo el álabe un circuito interno de refrigeración por aire que comprende medios (15) de entrada de aire situados en una cara del pie del álabe y frente a dicho alveolo, y medios de salida de aire, estando equipada dicha cara del pie del álabe con un deflector (20) que comprende una aleta (22, 23), caracterizado porque la aleta está situada a uno u otro lado del eje de alineación de los medios (15) de entrada de aire.
Description
Álabe para turbina que comprende un deflector de
aire de refrigeración.
La presente invención se refiere a un álabe para
turbina, disponiéndose el álabe en un disco de la turbina y siendo
refrigerado mediante una circulación interna de aire.
Una etapa de turbina axial está compuesta por una
rejilla de álabes fijos, denominada distribuidor, y una rejilla de
álabes móviles, denominada rotor. Existen rotores monobloque en los
que álabes y disco forman una pieza única. Existen, también, rotores
con álabes añadidos en los que álabes y disco están unidos
mecánicamente, generalmente, mediante pies en forma de abeto.
Cuando los rotores funcionan a temperatura
elevada, es necesario refrigerar los álabes. Esta refrigeración
puede efectuarse mediante aire tomado, por ejemplo, a la salida del
compresor y conducido al interior de los álabes a través de su
fijación en el disco. El aire de refrigeración penetra por el pie de
un álabe para salir, por ejemplo, por el extremo opuesto y por una
de sus caras.
La figura 1A es una vista parcial de un álabe 1
montado en un disco 2, estando representada la vista en un plano
perpendicular al eje de la turbina. Más concretamente, la figura
muestra el pie 3 del álabe 1 en posición en un alveolo 4 del disco
2. El pie se muestra en corte por el eje de un canal 5 que conduce
el aire de refrigeración desde el fondo del alveolo 4 hasta el
circuito de refrigeración interno, y no representado, del álabe. El
aire de refrigeración circula por el alveolo 4 en una dirección
perpendicular al plano de la figura. En el ejemplo representado, el
aire es introducido por un extremo del alveolo, que corresponde a
una cara del disco denominada cara de aguas arriba, y sube por el
canal (o los canales) 5, estando obturado el otro extremo del
alveolo, que corresponde a la otra cara del disco o cara de aguas
abajo.
El aire de refrigeración tomado a la salida del
compresor se inyecta a través de un plato apoyado a tope contra la
cara de aguas arriba del disco a fin de asegurar la estanqueidad del
circuito de aire. Para ello, con frecuencia, el plato se mantiene en
el disco mediante un sistema de ganchos denominados garras.
Los ganchos aseguran, también, otra función.
Proporcionan al aire de refrigeración que se dirige hacia los
alveolos una velocidad de rotación igual a la del rotor de la
turbina. El aire de refrigeración llega entonces frente al alveolo
girando a la misma velocidad que él, y penetra en el alveolo sin
efectos secundarios.
Pero estos ganchos tienen los inconvenientes de
ser costosos y de tener una vida útil relativamente corta. Por
tanto, sería interesante poder suprimirlos. No obstante, los ensayos
han mostrado que la refrigeración de los álabes de turbinas se
asegura en menor medida cuando se eliminan estos ganchos.
El documento
WO-A-99 47792 divulga un álabe para
turbina, presentando el álabe un pie que permite disponerlo en un
alveolo de un disco de la turbina. El álabe cuenta con un circuito
interno de refrigeración por aire que comprende medios de entrada de
aire situados en el pie del álabe y frente al alveolo, y medios de
salida de aire. El pie del álabe está provisto de un dispositivo que
permite canalizar el aire de refrigeración del álabe. Este
dispositivo permite, también, la evacuación del aire de
refrigeración después de su paso por el interior del álabe. El
dispositivo asegura la separación de los circuitos de aire de
refrigeración que entra en el álabe y sale del mismo.
El documento
GB-A-1 605 282 divulga un álabe para
turbina, presentando el álabe un pie que permite disponerlo en un
alveolo de un disco de la turbina. El álabe posee un circuito
interno de refrigeración por aire constituido por canales, que
comprende medios de entrada de aire situados en el pie del álabe y
frente al alveolo, y medios de salida de aire situados en el extremo
del álabe. El pie del álabe está provisto de un tubo de
refrigeración que permite conducir el aire de refrigeración desde el
colector de aire de aspiración hasta las entradas de aire.
El documento
US-A-4 348 157 divulga un álabe para
turbina, dispuesto en un disco por medio de un pie. El álabe cuenta
con un circuito interno de refrigeración por aire que comprende un
orificio de entrada de aire. El orificio de entrada de aire no está
situado en el pie del álabe y frente al alveolo de recepción de este
pie, sino en la parte de conexión entre el pie y el álabe, es decir
en la columna. Hay previstos pasos para conducir el aire de
refrigeración hasta las entradas de aire de los álabes. Estos pasos
pueden comprender deflectores.
El documento
US-A-4 178 129 describe un sistema
de refrigeración de álabes de turbina por circulación de aire. Cada
álabe presenta un pie que permite disponerlo en un alveolo de un
disco de la turbina. El álabe cuenta con un circuito interno de
refrigeración por aire que comprende medios de entrada de aire
situados en el pie del álabe. El aire de refrigeración es dirigido
bien a una cámara de alimentación con aire de refrigeración en la
que desembocan los canales de refrigeración, o bien directamente al
canal del borde de ataque por medio de un tubo de Pitot.
En lo que se refiere al documento
WO-A-99 47792 citado en lo que
antecede, el aire de refrigeración que llega es conducido mediante
un dispositivo en forma de tubo que comunica con los orificios de
los canales de refrigeración. El dispositivo en forma de tubo puede
contar con orificios de tamaño adaptado a los orificios de los
canales u orificios que correspondan, prácticamente, a la anchura
del alveolo. En ninguno de los dos casos puede evitarse la formación
de un torbellino.
En relación con el documento
GB-A-1 605 282 citado en lo que
antecede, está previsto un tubo de refrigeración con aire adaptado a
la anchura del alveolo. Por tanto, no se puede evitar la formación
de un torbellino.
Con respecto al documento
US-A-4 348 157 citado en lo que
antecede, el aire llega directamente a una cara con un orificio
pasante, lo que lleva a la misma conclusión.
En lo que se refiere al documento
US-A-4 178 129 citado en lo que
antecede, el aire llega bien directamente a un orificio (mediante un
tubo de Pitot), o bien directamente a una cara con orificios
pasantes, lo que lleva a la misma conclusión.
Corresponde a los inventores de la presente
invención el descubrimiento de la razón de una menor eficacia de la
refrigeración cuando se suprimen los ganchos o garras y haber
aportado una solución a este problema.
La figura 1B permite ilustrar el fenómeno que
provoca una pérdida de eficacia de la refrigeración de los álabes.
Esta figura es una vista de la cara inferior del pie 3, y que lleva
la referencia 6 en la figura 1A. El canal (o los canales) 5 no han
sido representados. El plato apoyado a tope contra la cara de aguas
arriba del disco se designa mediante la referencia 7. Con la
referencia 8 se ha designado un plato de obturación del alveolo, del
lado de la cara de aguas abajo del
disco.
disco.
Los inventores han llegado a la conclusión de
que, cuando el aire no es guiado hasta el alveolo, el aire de
refrigeración llega al alveolo con una velocidad de rotación menor
que cuando es guiado. El aire es entonces recibido en el alveolo y
se arremolina en él formando un torbellino, como se representa en la
figura 1B. El centro de este torbellino (o vórtice) consiste en una
depresión muy importante que es perjudicial para la alimentación del
álabe con aire de refrigeración.
La presente invención permite remediar este
problema cada vez que se presente en una turbina.
La invención tiene por objeto un álabe para
turbina, presentando el álabe un pie que permite disponerlo en un
alveolo de un disco de la turbina, teniendo el álabe un circuito
interno de refrigeración por aire que comprende medios de entrada de
aire situados en una cara del pie del álabe y frente a dicho
alveolo, y medios de salida de aire, caracterizado porque dicha cara
del pie del álabe está dotada de un deflector que comprende, al
menos, una aleta que permita canalizar el aire de refrigeración que
circule por el fondo del alveolo a fin de regular el flujo de aire
en dirección a los medios de entrada de aire.
La presencia de un deflector de este tipo en la
cara del pie del álabe en la que estén situados los medios de
entrada de aire permite evitar la formación de un torbellino.
El deflector puede ser parte enteriza del
álabe.
El deflector puede ser un elemento añadido al pie
del álabe y provisto de medios de acceso a los medios de entrada de
aire. Los medios de acceso pueden comprender, al menos, un orificio
calibrado.
La aleta puede ser recta o estar inclinada con
respecto al eje geométrico del álabe.
De acuerdo con un modo de realización ventajoso,
el deflector comprende, al menos, una aleta que permita canalizar el
aire de refrigeración que penetre en el alveolo y, al menos, una
aleta que permita canalizar aire impulsado hacia el centro del
alveolo.
La invención se comprenderá mejor y otras
ventajas y particularidades se manifestarán a partir de la lectura
de la descripción que sigue, proporcionada a título de ejemplo no
limitativo, acompañada de los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1A, ya descrita, es una vista parcial
de un álabe para turbina, montado en un disco, de acuerdo con la
técnica conocida,
- la figura 1B, ya descrita, es una vista de la
cara inferior de un pie de álabe para turbina, de acuerdo con la
técnica conocida,
- la figura 2A es una vista de un álabe para
turbina, montado en un disco, de acuerdo con la invención,
- la figura 2B es una vista de la cara inferior
de un pie de álabe para turbina, de acuerdo con la invención,
- la figura 3 es una vista, en perspectiva, de un
deflector utilizado por la presente invención,
- la figura 4 es una vista parcial, en corte, de
una turbina dotada de un álabe de acuerdo con la invención,
- las figuras 5 y 6 son vistas, desde abajo, de
deflectores utilizables por la presente invención,
- las figuras 7 a 10 son vistas, transversales y
en corte, de diferentes deflectores utilizables por la presente
invención.
La figura 2A es una vista de un álabe 11 de
acuerdo con la invención y montado en un disco 12, estando
representada la vista en un plano perpendicular al eje de la
turbina, al igual que en la figura 1A. El pie 13 del álabe 11 está
en posición en un alveolo 14 del disco 12. El pie se muestra en
corte por el eje de un canal 15 que conduce el aire de refrigeración
desde el fondo del alveolo 14 hasta el circuito de refrigeración
interno, y no representado, del álabe. La circulación del aire en el
alveolo se realiza como se ha descrito en lo que antecede en
relación con la figura 1A.
A diferencia del álabe descrito en la figura 1A,
el álabe de la figura 2A está dotado de un deflector 20 solidario de
la cara inferior 16 del pie de álabe. El deflector 20 comprende
aletas que permiten canalizar el aire de refrigeración que circule
por el fondo del alveolo 14. La figura 2A muestra que el deflector
presenta un orificio 21 en correspondencia con el canal 15 y que
sirve de medio de acceso al canal para el aire de refrigeración.
Este orificio puede ser un orificio calibrado, de fácil realización
en una pieza tal como un deflector añadido.
La figura 2B, que corresponde a la figura 1B de
la técnica anterior, muestra mediante flechas de qué manera se
canaliza el aire de refrigeración en el fondo del alveolo, entre los
platos 17 y 18 del disco 12. En esta figura, el deflector está
dotado de dos aletas 22 y 23 situadas a una y otra parte del eje de
alineación de los orificios 21. Las aletas están previstas a modo de
de zigzag. Puede hacerse notar, también, que el deflector
representado cuenta con cuatro orificios para el paso del aire de
refrigeración.
La presencia de un deflector en la cara inferior
del pie del álabe permite evitar la formación de un torbellino y la
aparición de una depresión.
El deflector puede ser una pieza añadida,
mediante soldadura o soldadura fuerte, en el pie del álabe. Como
variante, el deflector puede ser parte enteriza del álabe.
La figura 3 es una vista, en perspectiva, del
deflector 20 mencionado en lo que antecede. Esta figura permite ver
mejor las aletas 22 y 23, así como los orificios 21.
La figura 4 es una vista parcial, en corte, de
una turbina dotada de un álabe de acuerdo con la invención. La
figura 4 muestra un álabe 11 equipado con un deflector 20 y montado
en un alveolo 14 del disco 12. Esta figura permite ver, también, el
plato 17 apoyado a tope contra la cara de aguas arriba del disco 12
y el plato 18 de obturación del alveolo.
El aire de refrigeración se toma del fondo de la
cámara y se acelera a través de una serie de inyectores tales como
el inyector 31. Este aire pasa a continuación a través de orificios,
tales como el orificio 32, practicados en el plato 17 y sube hacia
los fondos de los alveolos, como se indica mediante flechas en la
figura 4. Mediante líneas discontinuas, se han representado los
ganchos o garras que la invención permite suprimir.
Las figuras 5 y 6 muestran, en posición en la
cara inferior de un pie de álabe, otras formas de deflectores
utilizables por la presente invención.
En la figura 5, el deflector 40 comprende dos
aletas 41 y 42 dispuestas en toda la longitud del deflector. Se
representan, también, orificios 43 de acceso a los canales de los
álabes.
En la figura 6, el deflector 50 comprende una
primera serie de aletas 51 y 53, situadas a un lado del deflector, y
una segunda serie de aletas 52 y 54, situadas al otro lado del
deflector. Las aletas están previstas en zigzag. También se
representan orificios 55 de acceso a los canales de los álabes.
El deflector puede comprender, también, una o
varias aletas de forma curvada y que permitan un guiado del aire de
refrigeración con un trayecto más evolutivo.
Las figuras 7 a 10 proporcionan, a título de
ejemplos, otras formas de deflectores utilizables por la presente
invención. Todas estas vistas son representaciones en corte
transversal efectuado por un orificio de paso del aire de
refrigeración.
El deflector 60 de la figura 7 tiene forma de
carril. Comprende aletas 61 y 62 dispuestas en ángulo recto en
relación con la cara 63 de apoyo del deflector en el pie de álabe.
Las aletas 61 y 62 pueden extenderse en toda la longitud del
deflector, o interrumpirse, a fin de formar tramos en zigzags.
Lo mismo ocurre con los deflectores 70, 80 y 90,
representados, respectivamente, en las figuras 8, 9 y 10. El
deflector 70 comprende aletas 71 y 72 que se alejan en relación con
la cara 73 de apoyo del deflector en el pie de álabe. El deflector
80 comprende aletas 81 y 82 que se aproximan en relación con la cara
83 de apoyo del deflector en el pie de álabe. El deflector 90
comprende cuatro aletas paralelas 91, 92, 93 y 94 dispuestas en
ángulo recto en relación con la cara 95 de apoyo del deflector en el
pie de álabe.
La invención permite obtener un aumento de
presión estática en el centro del alveolo que compensa en,
aproximadamente, un 75% la depresión que existe sin la disposición
aportada. Esta mejora de la alimentación del álabe con aire de
refrigeración permite reducir la temperatura media del álabe en
función de las condiciones de funcionamiento y, en consecuencia,
aumentar su vida útil.
Claims (8)
1. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina, que comprende un álabe (11), un disco (12), presentando el
álabe un pie (13) que permite disponerlo en un alveolo (14) del
disco (12) de la turbina, teniendo el álabe un circuito interno de
refrigeración por aire que comprende medios (15) de entrada de aire
situados en una cara del pie del álabe y frente a dicho alveolo, y
medios de salida de aire, estando equipada dicha cara del pie del
álabe con un deflector (20) que comprende una aleta (22, 23),
caracterizado porque la aleta está situada a uno u otro lado
del eje de alineación de los medios (15) de entrada de
aire.
aire.
2. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina, que comprende un álabe (11), un disco (12), presentando el
álabe un pie (13) que permite disponerlo en un alveolo (14) del
disco (12) de la turbina, teniendo el álabe un circuito interno de
refrigeración por aire que comprende medios (15) de entrada de aire
situados en una cara del pie del álabe y frente a dicho alveolo, y
medios de salida de aire, estando equipada dicha cara del pie del
álabe con un deflector (20) que comprende, al menos, dos aletas (22,
23), caracterizado porque las aletas están situadas a una y
otra parte del eje de alineación de los medios (15) de entrada de
aire.
3. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado porque el deflector es parte enteriza del
álabe.
4. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado porque el deflector (20) es un elemento
dispuesto en el pie (13) del álabe (11) y provisto de medios (21) de
acceso a los medios (15) de entrada de aire.
5. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según la reivindicación 4, caracterizado porque los
medios (21) de acceso comprenden, al menos, un orificio
calibrado.
6. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque dicha aleta (22, 23) es recta o está
inclinada en relación con el eje geométrico del álabe.
7. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque el deflector (20) comprende, al menos,
una aleta (22) que permite canalizar el aire de refrigeración que
penetra en el alveolo y, al menos, una aleta (23) que permite
canalizar aire impulsado hacia el centro del alveolo.
8. Dispositivo de refrigeración de un álabe para
turbina según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque el deflector comprende, al menos, una
aleta curvada.
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