ES2255567T3 - Disposicion de alabes directrices de turbina. - Google Patents

Disposicion de alabes directrices de turbina.

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ES2255567T3 ES01962905T ES01962905T ES2255567T3 ES 2255567 T3 ES2255567 T3 ES 2255567T3 ES 01962905 T ES01962905 T ES 01962905T ES 01962905 T ES01962905 T ES 01962905T ES 2255567 T3 ES2255567 T3 ES 2255567T3
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Abstract

Álabe (1) directriz de turbina, especialmente álabe (1) directriz de turbina de las etapas más posteriores, con una zona (2) inferior dispuesta radialmente en el exterior, una zona (3) superior dispuesta radialmente en el interior y un canal (4) de aire de refrigeración radial que discurre entre la zona (3) superior y la zona (2) inferior, en cada caso, en el cual puede introducirse aire (23) de refrigeración por una abertura (36) de entrada en la zona (2) inferior y puede salir al menos parcialmente a través de una abertura (35) de salida en la zona (3) superior, presentando el canal (4) de aire de refrigeración un canal interior radial a través del cual fluye el aire (23) de refrigeración desde la zona (2) inferior hasta la zona (3) superior y un canal (9) exterior contiguo al canal interior, que rodea el canal interior al menos parcialmente en el lado del perímetro, que se comunica con el canal interior y que presenta un abertura (12) de salida en la zona (2) inferior, retornando una parte (41) de aire de refrigeración a través del canal (9) exterior en dirección a la zona (2) inferior y saliendo a través de la abertura (12) de salida, siendo el canal interior un tubo (13) conductor de aire de refrigeración que puede introducirse en el canal (4) de aire de refrigeración, el cual se dispone con una separación (14) respecto a la pared (8) interior del canal (4) de aire de refrigeración y estando formado el canal (9) exterior por el espacio intermedio entre el tubo (13) conductor de aire de refrigeración y la pared (8) interior del canal (4) de aire de refrigeración, caracterizado porque la separación (14) es menor que una sección (15) transversal del tubo (13) conductor de aire de refrigeración.

Description

Disposición de álabes directrices de turbina.
La invención se refiere a una disposición de álabes directrices de turbina, especialmente a álabes directrices de turbina de las etapas más posteriores con una zona inferior dispuesta radialmente en el exterior, una zona superior dispuesta radialmente en el interior y un canal de aire de refrigeración radial que discurre entre la zona superior y la zona inferior, en cada caso, en el que puede introducirse aire de refrigeración en una abertura de entrada en la zona inferior y puede salir al menos parcialmente a través de una abertura de salida en la zona superior.
Una corriente de gas caliente que acciona una turbina se conduce desde los álabes directrices de turbina estacionarios hacia los álabes móviles de turbina que están sujetos en discos que giran alrededor de un eje de turbina central. Una disposición circular de álabes directrices de turbina que están fijados con sus zonas inferiores radialmente externas a una pared de carcasa de turbina estacionaria se alterna en este caso con una disposición de álabes móviles de turbina en un disco giratorio. Las zonas superiores radialmente internas de los álabes directrices de turbina son contiguas a un anillo interior en forma de U que presenta en su lado exterior una empaquetadura que obtura con gas caliente frente a la circulación del anillo en U.
Para enfriar los álabes de turbina calentados mediante el gas caliente que fluye a través se emplea normalmente aire de refrigeración. En álabes directrices de turbina, el aire de refrigeración fluye, por ejemplo, a través de un canal de aire de refrigeración radial colocado en el álabe directriz de turbina, desde la zona inferior radialmente exterior del álabe directriz de turbina hasta la zona superior radialmente interior. Desde la zona superior se introduce el aire de refrigeración en el anillo en forma de U adyacente. Éste se enfría mediante el aire de refrigeración que fluye a través del mismo. Mediante una sobrepresión del aire de refrigeración debe impedirse además que el gas caliente penetre en la cavidad formada por la zona superior de los álabes directrices de turbina y el anillo en forma de U dispuesto por debajo.
A este respecto resulta problemático que, por razones de costes y fabricación, el anillo en forma de U esté hecho la mayoría de las veces de un material poco resistente a la temperatura. Durante la circulación del álabe directriz de turbina, el aire de refrigeración se calienta normalmente hasta la temperatura máxima permitida del álabe directriz de turbina. Por tanto, el aire de refrigeración al entrar en el anillo en U ya tiene una temperatura bastante elevada y, con el escaso caudal de aire de refrigeración que sería suficiente para un enfriamiento del álabe directriz de turbina de una etapa posterior, que en comparación con los otros álabes directrices de turbina no se calienta mucho, no puede proporcionar un enfriamiento suficiente del anillo en U. Por lo tanto, esto es también problemático porque el aire de refrigeración introducido en la cavidad formada mediante el anillo en U y la zona superior del álabe de turbina sale tras atravesar la cavidad y fluye en dirección al disco de álabes móviles de turbina más posterior, sensible al calor, no enfriado en su mayor parte.
La solución al problema anterior consiste en conducir una gran cantidad de aire de refrigeración a través de un orificio central de un álabe directriz de turbina o a través de un canal de aire de refrigeración de un álabe directriz de turbina moldeado hueco en su mayor parte.
Además, por el documento de patente DE 121 02 54 se conoce un álabe directriz con un manguito de álabe directriz en el que, al dejar libre un espacio intermedio, un tubo forma un canal de refrigeración de álabe directriz. El tubo presenta aberturas que desembocan en el espacio intermedio y aberturas de salida del aire de refrigeración orientadas de manera inclinada cerca del borde posterior del álabe, a través de las cuales puede salir una parte del aire de refrigeración.
Por tanto, el objetivo de la presente invención es crear una disposición de álabes directrices de turbina que presente una demanda menor de aire de refrigeración, enfriándose suficientemente también el anillo en forma de U.
El objetivo se soluciona porque el canal interior es un tubo conductor de aire de refrigeración que puede insertarse en el cana de aire de refrigeración, que está dispuesto con una separación respecto a las paredes internas del canal de aire de refrigeración, y el canal exterior está formado por el espacio intermedio entre el tubo conductor de aire de refrigeración y las paredes interiores del canal de aire de refrigeración, siendo la separación menor que una sección transversal del tubo conductor de aire de refrigeración. La fabricación del canal de refrigeración se simplifica. El tubo conductor de aire de refrigeración puede introducirse en el canal de aire de refrigeración tras la fundición. El canal exterior consiste entonces en el espacio intermedio que se extiende alrededor del tubo conductor de aire de refrigeración. El grosor del espacio intermedio, que se corresponde con la separación del tubo conductor de aire de refrigeración de las paredes laterales del canal de aire de refrigeración, puede ajustarse según sea necesario. Cuanto más estrecho sea el espacio intermedio mayor será la velocidad del aire de refrigeración introducido a presión. Gracias a una velocidad creciente del aire de refrigeración, aumenta a su vez su capacidad para la eliminación del calor.
Mediante la división del canal de aire de refrigeración en canal interior y canal exterior se consigue que el aire de refrigeración fluya en primer lugar a través del canal interior y salga por la zona inferior parcialmente para refrigerar el anillo en forma de U, y retorne parcialmente de nuevo tras la desviación a través del canal exterior. El caudal total de aire de refrigeración atraviesa el canal interior y un caudal menor de aire de refrigeración circula alrededor en forma de una contracorriente. La corriente de aire de refrigeración en el canal exterior que rodea el canal interior es, en este caso, muy rápida. Por tanto proporciona un buen enfriamiento de las zonas circundantes del álabe directriz de turbina debido al elevado rendimiento de enfriamiento de un flujo rápido de aire de refrigeración. El aire de refrigeración que retorna en una corriente rápida aísla por un lado el canal interior, y permite que el aire de refrigeración, en el punto de salida en el anillo en U en la zona superior, presente una baja temperatura sin que deban introducirse grandes cantidades de aire de refrigeración. Asimismo, el aire de refrigeración que retorna enfría las paredes laterales del canal de aire de refrigeración y, por tanto, las zonas circundantes del álabe directriz de turbina, que son las zonas que soportan la carga del álabe directriz de turbina. Las paredes del álabe de turbina que rodean el canal de aire de refrigeración están configuradas, según la invención, más gruesas que en el estado de la técnica, y por tanto, son más estables. Gracias a la desviación de una parte de la corriente de aire de refrigeración a través del canal exterior y a la conducción más rápida del aire de refrigeración en el canal exterior, se reduce con ello el caudal total de aire de refrigeración y al mismo tiempo se rebaja la temperatura del aire de refrigeración que sale del álabe directriz de turbina en la zona superior para enfriar el anillo en U. Por tanto, la invención ofrece la ventaja de que con caudales de aire de refrigeración más reducidos se enfrían de manera suficiente tanto el álabe directriz de turbina como el
anillo en U.
Cuando los álabes directrices de turbina son álabes directrices de turbina de las etapas más posteriores, se produce un ahorro relativamente mayor de aire de refrigeración, frente a la utilización de canales de aire de refrigeración habituales, porque básicamente el gas caliente ya se ha enfriado al alcanzar las últimas etapas y por eso los álabes directrices de turbina de las etapas más posteriores no se calientan, en principio, tanto. Por tanto, precisamente para estos álabes directrices de turbina se proporciona una posibilidad fundamental de ahorro del aire de refrigeración gracias a la disposición según la invención de los álabes directrices de turbina.
Cuando el canal exterior rodea al canal interior prácticamente por todos los lados, por el lado del perímetro, la radiación térmica del aire de refrigeración conducido a través del canal interior sale casi por todos los lados desde la parte del aire de refrigeración que puede conducirse a través del canal exterior. Debido a la gran superficie de radiación es posible una gran transmisión térmica en poco tiempo. El aire de refrigeración que llega a la zona superior tiene por tanto una temperatura muy baja y puede enfriar el anillo en U de forma óptima.
Cuando el canal interior presenta al menos un orificio de comunicación a través del cual puede pasar aire de refrigeración al canal exterior, el aire de refrigeración en el lugar del orificio se acelera de manera intensa. Esto mejora las propiedades de enfriamiento del aire de refrigeración en el canal exterior dado que puede absorberse más calor debido a la velocidad más elevada.
Se consigue un recorrido del aire de refrigeración largo dentro del álabe directriz de turbina y por tanto un buen aprovechamiento del aire de refrigeración, cuando el canal interior presenta en una zona final, en el lado superior, al menos un orificio de comunicación. El aire de refrigeración puede apantallar el tubo de aire de refrigeración en aproximadamente toda la longitud entre la zona superior y la zona inferior de la pared del álabe caliente de tal manera que, en la zona superior del álabe directriz de turbina, el aire de refrigeración, que sale también con una corriente de aire de refrigeración reducida en el canal interior, tiene una temperatura suficientemente baja para enfriar bien el anillo con forma de U. La corriente de aire de refrigeración que retorna en el canal exterior enfría a la vez las zonas circundantes del álabe directriz de turbina.
Resulta ventajoso que el álabe directriz de turbina presente en la zona inferior, en una zona del borde posterior, un orificio de salida que está conectado con el canal exterior. A través de la abertura de salida, el aire de refrigeración desviado, que pasa por el canal interior, sale desde el álabe directriz de turbina sin que se produzca una mezcla con el aire de refrigeración introducido. La disposición del orificio de salida en la zona del borde posterior impide una penetración del aire caliente que llega, el cual ocasionaría daños. Dado que los orificios de salida para el aire de refrigeración que fluye a través del canal exterior están dispuestos en la zona inferior del álabe directriz de turbina, el aire de refrigeración tiene un trayecto muy largo dentro del álabe directriz de turbina y puede también absorber de manera correspondiente mucha energía térmica con poco caudal de aire de refrigeración y evacuarse hacia el exterior sin que se caliente el aire en el canal interior.
Cuando el canal interior es cilíndrico, la velocidad y el tipo de la corriente del aire de refrigeración circulante es aproximadamente igual de grande en toda la longitud de canal y, por tanto, también la eliminación de calor. De este modo se garantiza un rendimiento de enfriamiento homogéneo.
Es ventajoso que la sección transversal del canal exterior se seleccione de tal manera que el aire de refrigeración fluya rápidamente a través del canal y con ello se garantice un enfriamiento suficiente.
El objetivo planteado se refiere también a un procedimiento para fabricar un álabe directriz de turbina.
El objetivo se soluciona mediante un procedimiento de fundición para fabricar una disposición de álabes directrices de turbina, en el que se utiliza un núcleo que crea el canal de aire de refrigeración del álabe directriz de turbina, introduciendo tras la fundición en el canal de aire de refrigeración un tubo conductor de aire de refrigeración dotado de al menos un orificio de comunicación con una separación con respecto a las paredes interiores del canal de aire de refrigeración, y en la pared en la zona del borde posterior de la zona inferior del álabe directriz de turbina se disponen orificios de salida que pasan a través hasta el contorno exterior del álabe directriz de
turbina.
En la fabricación, la forma del núcleo del álabe puede reducirse para la fundición con respecto a núcleos de fundición convencionales. Dado que el canal de refrigeración que resulta es por tanto menor, el espesor de pared del álabe de turbina aumenta por consiguiente en gran medida respecto al borde de entrada. La fundición se simplifica por tanto con respecto a los espesores de pared no críticos. Tras la fundición se introduce un tubo conductor de aire de refrigeración. Entre el tubo conductor de aire de refrigeración y la pared interior del canal de refrigeración queda tan sólo un canal exterior estrecho que rodea en forma de anillo el tubo conductor de aire de refrigeración. Mediante la reducción del tamaño del núcleo de fundición y, por tanto, de la superficie de la pared interior de canal de refrigeración se reduce la superficie de radiación para la radiación térmica y por tanto la cantidad de calor emitida en el canal de aire de refrigeración por unidad de tiempo. El aire de refrigeración por tanto no se calienta tan intensamente. Basta con un caudal menor de aire de refrigeración. El enfriamiento del álabe directriz de turbina en las etapas posteriores es suficiente con las temperaturas relativamente reducidas.
Mediante las figuras debe facilitarse un ejemplo de realización de la invención. Muestran:
la figura 1, un álabe de turbina directriz de las etapas más posteriores,
la figura 2, un corte longitudinal a través de un álabe directriz de turbina según la figura 1 y
la figura 3, una representación esquemática del desarrollo de la temperatura de los flujos másicos del aire de refrigeración.
La figura 1 muestra una representación en perspectiva de un álabe 1 directriz de turbina de las etapas más posteriores. Con ayuda de la zona 2 inferior que presenta salientes 24 de retención, el álabe 1 directriz de turbina está fijado en una pared interior no mostrada de una carcasa de turbina con forma cilíndrica. Desde allí el álabe 1 directriz de turbina se extiende con su hoja 18 de álabe radialmente en la dirección de un eje 30 de turbina central de la carcasa de turbina. La zona 3 superior forma la parte final radialmente interior del álabe 1 directriz de turbina que presenta una parte 25 horizontal y una entalladura 26 en forma de arco radialmente interior con respecto al eje 30 de turbina. En esta zona 3 superior está acoplado un anillo 19 con forma de U mediante salientes 27 de retención a modo de rieles. Los salientes 27 de retención se enganchan en este caso en ranuras 28 de retención del anillo 19 en forma de U. La entalladura 26 en forma de arco de la zona 3 superior delimita junto con el anillo 19 en forma de U una cavidad 20 cuya dirección 29 longitudinal discurre transversal al eje 30 de turbina y al eje 31 del álabe. Radialmente en el interior, en el anillo 19 en forma de U, se encuentra una empaquetadura 21. Ésta obtura el disco 22 de álabes móviles de turbina contiguo dispuesto por debajo, que gira alrededor del eje 31 de turbina central, durante el funcionamiento de la turbina, el cual está dotado de álabes móviles de turbina no mostrados en contra de una circulación de gas 17 caliente
directa.
La hoja 18 de turbina presenta un canal 4 de aire de refrigeración radial con forma cilíndrica que discurre de forma continua desde una abertura 36 de entrada del aire 23 de refrigeración en la zona 2 inferior del álabe 1 directriz de turbina hasta su abertura 35 de salida del aire de refrigeración en la zona 3 superior del álabe 1 directriz de turbina. Tiene un contorno 34 de sección transversal que es similar al contorno 16 exterior de la hoja 18 de turbina en la zona de la hoja 18 de turbina y de la zona 2 inferior. El contorno 34 de sección transversal del canal 4 de aire de refrigeración mantiene su forma al contemplarlo desde la zona 2 inferior hasta delante de la zona 3 superior, sin embargo su tamaño puede reducirse. En la entrada del canal 4 de aire de refrigeración, en la zona 3 superior, se estrecha la sección 34 transversal en forma de una sección 33 circundante. Esta sección 34 transversal estrecha se conserva aproximadamente hasta la entalladura 26 en la zona 3 superior, en la que se dispone la abertura 35 de salida del canal 4 de refrigeración en la cavidad 20. En el canal 4 de aire de refrigeración se introduce aproximadamente en el centro un tubo 13 conductor de aire de refrigeración cilíndrico. El tubo 13 conductor de aire de refrigeración presenta una sección 15 transversal elíptica que se mantiene casi igual. El tubo 13 conductor de aire de refrigeración se sujeta en la zona 3 superior del álabe 1 directriz de turbina fundamentalmente porque llega hasta la sección 33 circundante con una sección 15 transversal adaptada a la transición o incluso porque se introduce en la zona 3 superior en la sección 34 transversal estrecha del canal 4 de aire de refrigeración. En la zona 2 inferior, el tubo 13 conductor de aire de refrigeración se sujeta en el centro, por ejemplo, mediante elementos 37 de unión separados colocados en las paredes 8 laterales del canal 4 de aire de refrigeración. El canal 4 de aire de refrigeración puede fundirse directamente conjuntamente durante la fundición del álabe 1 directriz de turbina empleando un núcleo de fundición. El tubo 13 conductor de aire de refrigeración se introduce tras la fundición en el canal 4 de aire de
refrigeración.
En la zona 2 inferior, el aire 23 de refrigeración se introduce en la abertura 36 de entrada del tubo 13 conductor de aire de refrigeración que llega hasta un lado 32 superior de la zona 2 inferior del álabe 1 directriz de turbina. El aire 23 de refrigeración fluye a través del tubo 13 conductor de aire de refrigeración hasta un orificio 10 de comunicación. Una parte 42 de la corriente de aire de refrigeración sigue fluyendo hasta la zona 3 superior del álabe 1 directriz de turbina y allí, a través de la abertura 35 de salida, a la cavidad 20. Otra parte 41 de la corriente de aire de refrigeración fluye desde el tubo 13 conductor de aire de refrigeración a través de un orificio 10 de comunicación a un canal 9 exterior ente el tubo 13 conductor de aire de refrigeración y el canal 4 de aire de refrigeración y allí, en sentido contrario, en dirección a la zona 2 inferior, tal como se muestra en la figura 2. A través de las aberturas 10 que se estrechan, la parte 41 de aire de refrigeración fluye de manera acelerada por la pared 8 interior del canal de refrigeración. De este modo se origina una aceleración de la corriente 41 de aire de refrigeración debido al diámetro reducido del orificio 10 y, por tanto, un efecto de enfriamiento muy intenso en la pared 8 interior del canal de refrigeración. Dado que el canal 9 exterior es más estrecho en comparación con el tubo 13 conductor de aire de refrigeración, la parte 41 de corriente de aire de refrigeración fluye más rápido en este lugar. Finalmente, el aire 41 de refrigeración calentado sale a través de una abertura 12 de salida que llega a la zona 11 del borde posterior de la hoja 18 de álabe desde el canal 9 exterior hacia el contorno 16 exterior del álabe del álabe 1 directriz de turbina. La parte 42 de aire de refrigeración que sale a través de la abertura 35 de salida en la zona 3 superior fluye en primer lugar en la cavidad 20 y enfría el anillo 19 en forma de U que delimita la cavidad 20 radialmente en el interior. La corriente 42 de aire de refrigeración puede salir a través de un orifico 38 en una pared del anillo 19 en
forma de U.
La figura 2 muestra un corte longitudinal a través del álabe 1 directriz de turbina según la figura 1. Toda la corriente 23 de aire de refrigeración que entra en el tubo 13 conductor de aire de refrigeración en la zona 5 final en el lado inferior, se divide en dos partes de corriente de aire de refrigeración, la corriente 41 de aire de refrigeración desviada que entra en el canal 9 exterior a través de los orificios 10 en la zona 6 final en el lado superior y sale de nuevo por la abertura 12 de salida, y la corriente 42 de aire de refrigeración que sale fluyendo hacia el anillo 9 en for-
ma de U.
La figura 3 muestra el desarrollo de la temperatura T de las partes 41, 42 de corriente de aire de refrigeración, mientras atraviesan el álabe 1 directriz de turbina en la dirección 31 longitudinal hasta una longitud 1 final del canal 4 de aire de refrigeración. La temperatura máxima Tmax no se alcanza por la corriente 42 de paso, con lo que el anillo en forma de U puede enfriarse de manera suficiente. Sin embargo, la otra parte 41 de aire de refrigeración arrastra la mayor parte del calor y lo transporta desde el álabe de turbina sin que el calor pueda perjudicar las zonas sensibles a la temperatura. La cantidad 23 de aire de refrigeración total, la suma de las dos partes 41, 42 de corriente, es fundamentalmente menor que en el estado de la
técnica.

Claims (8)

1. Álabe (1) directriz de turbina, especialmente álabe (1) directriz de turbina de las etapas más posteriores, con una zona (2) inferior dispuesta radialmente en el exterior, una zona (3) superior dispuesta radialmente en el interior y un canal (4) de aire de refrigeración radial que discurre entre la zona (3) superior y la zona (2) inferior, en cada caso, en el cual puede introducirse aire (23) de refrigeración por una abertura (36) de entrada en la zona (2) inferior y puede salir al menos parcialmente a través de una abertura (35) de salida en la zona (3) superior, presentando el canal (4) de aire de refrigeración un canal interior radial a través del cual fluye el aire (23) de refrigeración desde la zona (2) inferior hasta la zona (3) superior y un canal (9) exterior contiguo al canal interior, que rodea el canal interior al menos parcialmente en el lado del perímetro, que se comunica con el canal interior y que presenta un abertura (12) de salida en la zona (2) inferior, retornando una parte (41) de aire de refrigeración a través del canal (9) exterior en dirección a la zona (2) inferior y saliendo a través de la abertura (12) de salida, siendo el canal interior un tubo (13) conductor de aire de refrigeración que puede introducirse en el canal (4) de aire de refrigeración, el cual se dispone con una separación (14) respecto a la pared (8) interior del canal (4) de aire de refrigeración y estando formado el canal (9) exterior por el espacio intermedio entre el tubo (13) conductor de aire de refrigeración y la pared (8) interior del canal (4) de aire de refrigeración, caracterizado porque la separación (14) es menor que una sección (15) transversal del tubo (13) conductor de aire de refrigeración.
2. Álabe directriz de turbina según la reivindicación 1, caracterizado porque el canal (9) exterior rodea el canal interior en el lado del perímetro prácticamente en su totalidad.
3. Álabe directriz de turbina según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el canal interior presenta al menos un orificio (10) de comunicación a través del cual puede pasar la parte (41) de aire de refrigeración al canal (9) exterior.
4. Álabe directriz de turbina según la reivindicación 3, caracterizado porque el orificio (10) de comunicación se dispone en una zona (6) final en el lado superior.
5. Álabe directriz de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el álabe (1) directriz de turbina presenta en la zona (2) inferior, en una zona (11) de borde posterior, una abertura (12) de salida que se comunica con el canal (9) exterior.
6. Álabe directriz de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el canal interior es cilíndrico.
7. Álabe directriz de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la corriente de la parte (41) de aire de refrigeración es más rápida en el canal (9) exterior que en el canal in-
terior.
8. Procedimiento de fundición para fabricar un álabe directriz de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el canal (4) de aire de refrigeración del álabe (1) directriz de turbina se crea mediante un núcleo, caracterizado porque tras la fundición se introduce en el canal (4) de aire de refrigeración un tubo (13) conductor de aire de refrigeración dotado de al menos un orificio (10) de comunicación, con una separación (14) respecto a las paredes (8) interiores del canal (4) de aire de refrigeración, y en las paredes (8) interiores en la zona (11) del borde posterior de la zona (2) inferior del álabe (1) directriz de turbina se disponen orificios (12) de salida que pasan a través hasta el contorno (16) exterior del álabe (1) directriz de turbina.
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