ES2273648T3 - Refrigeracion de una banda de un segmento de la tobera de una turbina. - Google Patents
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Abstract
Un álabe (34) de un motor de turbina a gas, que comprende: una superficie aerodinámica hueca (40) dispuesta entre unos paneles (52, 54) de las bandas radialmente interna y externa; un conducto (58) de admisión de aire de refrigeración que conduce a una parte interior hueca (42) de dicha superficie aerodinámica (40), teniendo dicho conducto (58) de admisión una pared (60) del conducto que sobresale radialmente hacia fuera de dicho panel (54) de la banda externa; y caracterizado porque tiene: al menos, un medio (64) de incidencia del aire de refrigeración dispuesto a través de dicha pared (60) del conducto de admisión para dirigir el aire de refrigeración (44) de tal manera que incida sobre dicho panel de la banda externa a una velocidad angular (V), circunferencial y radialmente hacia el interior.
Description
Refrigeración de una banda de un segmento de la
tobera de una turbina.
Esta invención se refiere a unos segmentos de la
tobera de una turbina de un motor de turbina a gas de un avión y,
más particularmente, a la refrigeración de unas bandas entre las
cuales están montadas unas superficies aerodinámicas de los
segmentos.
En un motor de turbina a gas, típico, se
comprime el aire en un compresor y se mezcla con un combustible y
se enciende en una cámara de combustión para generar unos gases
calientes de combustión. Los gases circulan corriente abajo a
través de una turbina de alta presión (HPT) que tiene una o más
etapas que incluyen una tobera de la turbina HPT y unas palas del
rotor HPT. Los gases circulan entonces hacia una turbina de baja
presión (LPT) la cual incluye, típicamente, unas etapas múltiples
con las toberas de la turbina LPT y con las palas del rotor de la
turbina LPT, respectivamente. Cada tobera de la turbina LPT incluye
una pluralidad de álabes de tobera estacionarios, separados
circunferencialmente, que están soportados entre unas bandas,
radialmente externa e interna. Cada etapa del rotor de la turbina
incluye una pluralidad de palas del rotor separadas
circunferencialmente, que se extienden radialmente hacia fuera
desde un disco del rotor, el cual soporta un par de fuerza
desarrollado durante el funcionamiento.
Las toberas LPT están conformadas, típicamente,
de unos segmentos en forma de arco que tienen una pluralidad de
álabes que están unidos integralmente entre los segmentos
correspondientes de las bandas externa e interna. Cada segmento de
la tobera está soportado, en su extremo radialmente externo, por una
brida atornillada a una carcasa anular externa. Cada álave tiene
una superficie aerodinámica hueca refrigerada, que está dispuesta
entre los paneles de las bandas, radialmente interna y externa, los
cuales forman las bandas interna y externa; una porción de brida
situada a lo largo de una porción media del panel de la banda
externa y un conducto de admisión de aire de refrigeración para
dirigir el aire de refrigeración a través de una abertura conformada
en la porción brida hacia el interior hueco o circuito de
refrigeración de la superficie aerodinámica. El conducto de
admisión de aire tiene una curvatura de 90 grados entre una entrada
del conducto de admisión axialmente frontal y una salida del
conducto de admisión, axialmente hacia atrás y radialmente hacia el
interior. Las curvas inclinadas 90 grados, radialmente hacia el
interior desde la abertura, la cual en la porción brida hacia la
superficie aerodinámica hueca y axialmente, se extiende hacia atrás
y termina en una salida del conducto de admisión. La superficie
aerodinámica, las porciones de la banda interna y externa, la
porción brida y el conducto de admisión, están moldeados
típicamente, entre sí de tal manera que cada álabe constituya una
sola pieza moldeada. Los álabes están soldados entre sí a lo largo
de una interfaz de los segmentos de la brida, de los paneles de la
banda interna y de los paneles de la banda externa, para conformar
el segmento de la tobera. El conducto de admisión tiene una
cantidad significativa de refrigeración convectiva (por aire), la
cual conduce, localmente, hasta la banda pero no hasta la mitad de
la banda entre los conductos de admisión o las superficies
aerodinámicas. Esta región de la banda comprendida entre los
conductos de admisión funciona, de una manera, significativamente,
muy caliente. Está revelado, por ejemplo, en el documento de patente
U.S. 3.628.880, un conjunto de álabes para un motor de turbina a
gas provisto de un regulador de incidencias, comprendido dentro de
un conducto de admisión.
Frecuentemente, las bandas de la tobera de una
turbina de baja presión no se refrigeran, sin embargo, los diseños
avanzados de los motores con una impulsión incrementada a los ratios
de peso, funcionan a unas temperaturas de entrada a la turbina, más
elevadas, que requieren más refrigeración. Los esquemas de la
refrigeración que usan el aire de refrigeración del compresor,
realzan la refrigeración de la banda para una cantidad
predeterminada de circulación de la refrigeración, no obstante,
tienen también unos efectos significativamente negativos sobre el
funcionamiento del motor. Los reguladores de incidencia, los
orificios de la película, los pasadores inclinados, los orificios
del borde de salida constituyen todas las características de la
refrigeración que han sido utilizadas en la fabricación de los
motores para refrigerar las bandas de la tobera HPT. Los orificios
de refrigeración que están dispuestos a través de la brida se han
usado para dirigir el aire de refrigeración desde una cámara de
distribución de aire de refrigeración hacia la junta soldada, a lo
largo de la interfaz entre los paneles de la banda externa de las
porciones brida de una banda de la tobera LPT. La situación de los
orificios de refrigeración que están dispuestos a través de la
brida, incluye el evitar la obstrucción producida por las cabezas
de los tornillos en una junta de brida con la carcasa del motor, y
el chorro de aire de refrigeración de los orificios recorre una
gran distancia antes de incidir con la banda en unas áreas
altamente tensionadas, situadas más allá de la parte posterior de la
brida.
Es altamente deseable mejorar la refrigeración
de la banda LPT al mismo tiempo que se minimiza la cantidad de
flujo de refrigeración usada para conseguirlo. Es altamente deseable
también mejorar la refrigeración de la banda LPT para evitar las
fracturas a lo largo de las juntas soldadas, para extender la vida
útil de la pieza y el tiempo transcurrido entre las reparaciones de
los segmentos de la tobera y de los conjuntos de aspas. Es deseable
hacer que el chorro de incidencia golpee la banda más allá de la
parte posterior de lo que es actualmente posible, sin tener que
aumentar la distancia que el chorro objetivo recorre hasta su
incidencia, minimizando así el decaimiento de la velocidad del
chorro y mejorando la convección del chorro sobre la banda. Es
deseable también permitir una mayor flexibilidad, seleccionando la
situación del chorro de incidencia, la orientación y el ángulo a la
superficie de la banda, permitiendo así la maximización del efecto
de la refrigeración.
De acuerdo con la presente invención, un
segmento de la tobera del motor de turbina a gas incluye, al menos,
dos álabes circunferencialmente adyacentes, unidos entre sí a lo
largo de una interfaz entre las aspas. Cada uno de los álabes
incluye una superficie aerodinámica hueca que está dispuesta entre
unos paneles de las bandas radialmente interna y externa y un
conducto de admisión del aire de refrigeración que conduce a una
parte interior hueca de la superficie aerodinámica para dirigir el
aire de refrigeración hacia dicha parte interior hueca. El conducto
de admisión tiene una pared del conducto que sobresale radialmente
hacia fuera desde el panel de la banda externa y, al menos, un
orificio de refrigeración de incidencia que está dispuesto a través
de la pared del conducto de admisión, formando un ángulo
circunferencial y radialmente interno.
Una porción brida se extiende
circunferencialmente a lo largo de una porción media del panel de la
banda externa y una abertura conformada en la porción brida está en
comunicación de fluido con el conducto de admisión. La superficie
aerodinámica hueca, los paneles de las bandas radialmente interna y
externa, la pared del conducto de admisión y la porción brida están
conformados integralmente y, preferentemente, moldeados
integralmente, de tal manera que el álabe sea un álabe moldeado
integralmente en una sola pieza.
La invención junto con unos objetos y ventajas
adicionales de la misma, se describe más particularmente haciendo
referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista esquemática en sección
transversal que ilustra unas secciones de una turbina de alta y
baja presión de un motor de turbina de gas con una realización a
modo de ejemplo de un conjunto de la tobera de una turbina de baja
presión de la presente invención;
la Figura 2 es una vista en perspectiva que
ilustra un segmento de una tobera del conjunto de la tobera mostrado
en la Figura 1, tomada desde un punto radialmente interno, mirando
radialmente hacia fuera y axialmente hacia la parte posterior;
la Figura 3 es una vista en perspectiva que
ilustra una banda radialmente externa del segmento de la tobera
mostrado en la Figura 2;
la Figura 4 es una vista esquemática en sección
transversal que ilustra un orificio de refrigeración de incidencia
a través de una pared de un conducto de admisión, tomada a través de
las líneas 4-4 de una porción radialmente externa
del segmento de la tobera mostrada en la Figura 3;
la Figura 5 es una vista en perspectiva,
recortada, que ilustra el conducto de admisión mostrado en las
Figuras 1 y 4.
En la Figura 1 se ilustra una porción de una
sección caliente de un motor de turbina a gas de un avión, designada
generalmente con el número 2, que tiene una línea central 6 que se
extiende axialmente, alrededor de la cual se extiende, a través de
una cámara de combustión 10, una turbina de alta presión (HPT) 12 y
una primera etapa de una turbina de baja presión (LPT) 14.
Circunscrita alrededor de la línea central 6 está provista una
carcasa de alta presión 15 alrededor de la cámara de combustión 10
y de la HPT 12 y una carcasa de baja presión 17 alrededor de la LPT
14. El aire se comprime en un compresor (no mostrado) y se mezcla
con un combustible en la cámara de combustión 10, para producir una
corriente de gas caliente 11 de alta energía. En la parte posterior
de la cámara de combustión 10 está provista una tobera 18 HPT, la
cual dirige la corriente de gas caliente 11 desde la cámara de
combustión 10 hasta las palas 20 HPT que están montadas sobre una
primera periferia 22 alrededor de un disco 26 HPT. La corriente de
gas caliente 11 circula después a través de un conjunto tobera 30
LPT que tiene un conjunto de segmentos 32 de la tobera LPT, en forma
de arco, que ilustran una realización a modo de ejemplo de la
presente invención, los cuales dirigen la corriente de gas caliente
a las palas 27 LPT que están montadas sobre una segunda periferia
28 alrededor de un disco 29 LPT.
Uno de los segmentos 32 de la tobera,
circunferencialmente adjunto, se ilustra en la Figura 2. Cada uno
de los segmentos 32 de la tobera incluye dos o más álabes 34 de la
tobera, circunferencialmente separados, dos de los cuales, por
ejemplo, tienen unas superficies aerodinámicas huecas 40 que se
extienden radialmente entre las bandas 36 y 38, en forma de arco,
radialmente interna y externa, conformadas integralmente con los
mismos. Cada una de las superficies aerodinámicas huecas 40 tiene
una parte interior hueca 42 (ilustrada en la Figura 1) para recibir
el aire de refrigeración 44 para refrigerar las superficies
aerodinámicas 40 y las palas 20 y 27 HPT y LPT y los discos 26 y 29
HPT y LPT, respectivamente. La parte interior hueca 42 está
ilustrada esquemáticamente como un circuito de aire de
refrigeración 45 mostrado en la Figura 1.
Haciendo referencia a las Figuras 2 y 3, cada
una de los álabes 34 incluye una de las superficies aerodinámicas
huecas 40, que está dispuesta entre los paneles 52 y 54 de las
bandas radialmente interna y externa. Los paneles 52 y 54, de las
bandas interna y externa, circunferencialmente adyacentes, conforman
los paneles correspondientes a las bandas 36 y 38 interna y
externa, en forma de arco. Los álabes 34, adyacentes, en los
segmentos 32 de la tobera, están unidos entre sí a lo largo de una
interfaz 39, típicamente, soldándolos para conformar una junta
soldada 41. Un conducto de admisión de aire 58 conduce a la parte
interior hueca 42 de la superficie aerodinámica 40, para dirigir el
aire de refrigeración hacia el interior de la parte interior hueca
y, más particularmente, hacia el interior del circuito de aire de
refrigeración 45. El conducto de admisión 58 tiene una pared 60 del
conducto que sobresale radialmente hacia fuera del panel 54 de la
banda externa.
La presente invención proporciona un medio de
incidencia del aire de refrigeración para dirigir el aire de
refrigeración 44 desde el conducto de admisión 58 para que incida
sobre la banda externa 38 en la junta soldada 41, entre los paneles
54 de la banda externa, adyacentes, según se ilustra en las Figuras
3 y 4. Se puede operar el medio de incidencia del aire de
refrigeración para hacer que el aire de refrigeración en la banda
externa 38 incida con una velocidad V, circunferencial y radialmente
interna, de tal manera que proporcione la refrigeración de la junta
soldada 41 y del panel 54 de la banda externa, en una situación
operacionalmente libre de tensión e inducida por calor.
Preferentemente, esta situación es una en la cual ocurren unas
tensiones inducidas por calor, sustancialmente máximas. El aire de
refrigeración de incidencia proporciona también una refrigeración
convectiva adicional de la banda externa 38 después de que ésta
incida sobre la banda externa. El medio de incidencia del aire de
refrigeración usado en la realización a modo de ejemplo, incluye, al
menos, un orificio 64 de refrigeración de incidencia, que está
dispuesto a través de la pared 60 del conducto de admisión y el
cual está angulado circunferencialmente y radialmente hacia dentro,
formando un ángulo A y dirige, generalmente, un chorro de
incidencia 67 de aire de refrigeración hacia el panel 54 de la banda
externa, hacia la interfaz 39 y, más particularmente, hacia la
junta soldada 41, cerca de la posición libre de tensión. Otros
medios de incidencia del aire de refrigeración para dirigir el aire
de refrigeración 44 desde el conducto de admisión 58 hacia la banda
externa 38, incluyen, pero no están limitados a ello, uno o más
orificios 64 de refrigeración de incidencia, que están dispuestos a
través de una o más de las paredes 60 del conducto de admisión, de
los paneles 54 de la banda externa y del segmento 32 de la tobera
LPT. Se pueden usar también unas aberturas distintas de los
orificios 64 de refrigeración de incidencia, tales como unas ranuras
transversales o unas hendiduras.
Una porción brida 66 se extiende
circunferencialmente a lo largo de una porción media 68, que está
situada axialmente, del panel 54 de la banda externa y de una
abertura 70 conformada en la porción brida que está en comunicación
de fluido con el conducto de admisión 58. Haciendo una referencia
adicional a la Figura 5, el conducto de admisión 58 tiene una
curvatura 71 de unos 90 grados, entre una entrada 75 del conducto de
admisión axialmente frontal y una salida 77 del conducto de
admisión axialmente posterior y radialmente hacia el interior. La
curvatura de 90 grados, se curva radialmente hacia el interior,
desde la abertura 70 conformada en la porción brida hasta la
superficie aerodinámica hueca y axialmente, a medida que se extiende
hacia atrás y termina en la salida 77 del conducto de admisión
sobre el panel 54 de la banda externa. La sección transversal del
conducto de admisión 58 cambia de forma, desde una primera forma de
la sección transversal. la cual es circular, hasta una segunda
forma de la sección transversal de la salida 77 del conducto de
admisión, la cual es redonda, aunque no circular y está conformada
para facilitar la entrada del aire de refrigeración dentro de una
entrada 73 de refrigeración del álabe. El aire de refrigeración 44
penetra en la parte interior hueca 42 y en el circuito de aire de
refrigeración 45, a través de la entrada 73 de refrigeración del
álabe, la cual coincide con la salida 77 del conducto de
admisión.
La superficie aerodinámica hueca 40, los paneles
52 y 54 de la bandas radialmente interna y externa, la pared 60 del
conducto de admisión y la porción brida están conformadas
integralmente y, moldeadas de una manera preferentemente integral,
de tal manera que el álabe 34 sea un álabe moldeado integralmente en
una sola pieza. La porción brida 66 incluye unos orificios 74 de
tornillos, por medio de los cuales la porción brida está
atornillada a un soporte 92 entre las carcasas 15 y 17 de alta
presión y de baja presión, según se ilustra en la Figura 1. Una
cavidad 80 de aire de refrigeración está situada radialmente hacia
fuera de la HPT 12 y axialmente. entre la cámara de combustión 10 y
la LPT 14. El aire de refrigeración 44 de una etapa del compresor,
tal como la cuarta etapa de un motor GE 404, es conducido mediante
una tubería hacia el interior de la cavidad 80 para refrigerar la
sección caliente 2 del motor. El aire de refrigeración 44,
presurizado, circula a través de unos orificios 86 del aire de
refrigeración que están conformados en una pantalla de calor 82
hacia, y a través de la abertura 70 y hacia el interior del
conducto de admisión 58, suministrando así el aire de refrigeración
al circuito 45 de aire de refrigeración y al orificio 64 de
refrigeración de incidencia. Alternativamente, un juego de unos
segundos orificios 90 de refrigeración de incidencia pueden estar
dispuestos a través de la porción brida 66, según se ha realizado
en la técnica anterior.
Claims (12)
1. Un álabe (34) de un motor de turbina a gas,
que comprende:
- una superficie aerodinámica hueca (40) dispuesta entre unos paneles (52, 54) de las bandas radialmente interna y externa;
- un conducto (58) de admisión de aire de refrigeración que conduce a una parte interior hueca (42) de dicha superficie aerodinámica (40), teniendo dicho conducto (58) de admisión una pared (60) del conducto que sobresale radialmente hacia fuera de dicho panel (54) de la banda externa; y
- caracterizado porque tiene:
- al menos, un medio (64) de incidencia del aire de refrigeración dispuesto a través de dicha pared (60) del conducto de admisión para dirigir el aire de refrigeración (44) de tal manera que incida sobre dicho panel de la banda externa a una velocidad angular (V), circunferencial y radialmente hacia el interior.
2. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 1, en el que dicho medio de incidencia comprende un
orificio (64) de refrigeración de incidencia que está dispuesto a
través de dicha pared (60) del conducto de admisión y forma un
ángulo circunferencial y radialmente hacia el interior.
3. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 2, en el que dicho conducto de admisión (58)
incluye:
- una entrada (75) del conducto de admisión en comunicación de fluido con dicha abertura (70);
- una salida (77) del conducto de admisión en comunicación de fluido con dicha parte interior hueca (42) de dicha superficie aerodinámica (40); y
- una curvatura (71) entre dicha entrada (75) del conducto de admisión y dicha salida (77) del conducto de admisión.
4. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 3, en el que cambia la forma de la sección
transversal de dicho conducto de admisión (58), desde una primera
forma de la sección transversal de dicha entrada (75) del conducto
de admisión hasta una segunda forma de la sección transversal de
dicha salida (77) del conducto de admisión.
5. Un álabe (34) según se reivindica en
cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, que comprende
adicionalmente una porción brida (66) que se extiende
circunferencialmente a lo largo de dicho panel (54) de la banda
externa y de una abertura (70) conformada en dicha porción brida
(66); estando dicha abertura (70) en comunicación de fluido con
dicho conducto de admisión (58).
6. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 5, en el que dicha porción brida (66) es integral
con dicha pared (60) del conducto de admisión y dicha abertura (70)
es una entrada a través de dicha porción brida (66) hacia el
interior de dicho conducto de admisión (58).
7. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 6, en el que dicha superficie aerodinámica hueca
(40), dichos paneles (52, 54) de la banda radialmente interna y
externa, dicha pared (60) del conducto de admisión y dicha porción
brida (66), están conformadas integralmente.
8. Un álabe (34) según se reivindica en la
reivindicación 6, en la que dicha superficie aerodinámica hueca
(40), dichos paneles (52, 54) de las bandas radialmente interna y
externa, dicha pared (60) del conducto de admisión y dicha porción
brida (66), están moldeadas integralmente, de tal manera que dicho
álabe (34) sea un álabe moldeado integralmente como una sola
pieza.
9. Un segmento (32) de la tobera de un motor de
turbina a gas, que comprende:
- al menos, dos álabes circunferencialmente adyacentes, cada uno de ellos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, unidos entre sí a lo largo de una interfaz (39) entre dichos álabes.
10. Un segmento (32) de la tobera de un motor de
turbina a gas, según se reivindica en la reivindicación 9, en el
que dichos álabes circunferencialmente adyacentes están soldados
entre sí a lo largo de dicha interfaz (39) entre dichos álabes,
estando un primer orificio (64) de refrigeración de incidencia
apuntando hacia dicha interfaz (39).
11. Un segmento de la tobera de un motor de
turbina a gas, según se reivindica en la reivindicación 10, en el
que dicho orificio (64) de refrigeración de incidencia está
apuntando hacia una realización en la cual ocurren unas tensiones
inducidas por calor, sustancialmente máximas.
12. Un segmento (32) de la tobera de un motor de
turbina a gas, según se reivindica en la reivindicación 10, que
comprende adicionalmente un segundo orificio (90) de refrigeración
de incidencia que está dispuesto a través de dicha pared (60) del
conducto de admisión de otra de dichos, al menos, dos álabes
circunferencialmente adyacentes; dicho segundo orificio (90) de
refrigeración de incidencia forma un ángulo, circunferencial y
radialmente hacia el interior y está provisto en dicha interfaz
(39).
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/451,279 US6227798B1 (en) | 1999-11-30 | 1999-11-30 | Turbine nozzle segment band cooling |
| US451279 | 1999-11-30 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2273648T3 true ES2273648T3 (es) | 2007-05-16 |
Family
ID=23791568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES00306463T Expired - Lifetime ES2273648T3 (es) | 1999-11-30 | 2000-07-28 | Refrigeracion de una banda de un segmento de la tobera de una turbina. |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6227798B1 (es) |
| EP (1) | EP1106787B1 (es) |
| JP (1) | JP4509325B2 (es) |
| AT (1) | ATE342431T1 (es) |
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