ES2278821T3 - Turbomaquina con regiones de paletas de alta presion y de baja presion. - Google Patents
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Abstract
Turbomáquina (1) con una carcasa exterior (2), en la que está montado giratoriamente un rotor (3) con tres regiones de paletas (4, 5, 6, 7), en donde una de las regiones de paletas es una región interior (5, 6) según se mira en dirección axial y las otras son regiones exteriores (4, 7) según se mira en dirección axial, a través de las cuales circula en funcionamiento un medio fluido a lo largo de una respectiva dirección de circulación, en donde la región de paletas interior (5, 6) está confinada por las regiones de paletas exteriores (4, 7) a lo largo del rotor (3) y las direcciones de circulación en las regiones de paletas exteriores (4, 7) son mutuamente opuestas y se alejan de la región interior (5, 6), y el medio fluido puede dividirse con un canal de corriente inversa (19), después de circular a través de la región de paletas interior (5, 6), de tal modo que una parte del medio fluido circula a través de una región de paletas exterior (4) y una segunda parte a través de la otra regiónde paletas exterior (7), caracterizada porque la carcasa exterior (2) presenta una abertura de entrada (32) entre la región de paletas exterior (4) y la región de paletas interior (5, 6) y la carcasa exterior (2) presenta una abertura de salida (14) entre la región de paletas interior (5, 6) y la otra región de paletas exterior (7), en donde la abertura de salida (14) está unida por mecánica de fluidos a la abertura de entrada (32) a través del canal de corriente inversa (19).
Description
Turbomáquina con regiones de paletas de alta
presión y de baja presión.
La invención se refiere a una turbomáquina, que
presenta una carcasa con un rotor montado giratoriamente con tres
regiones de paletas que están unidas por mecánica de fluidos. Se
refiere además a un procedimiento para hacer funcionar la
turbomáquina anteriormente citada como turbina de vapor.
Las turbomáquinas conocidas, que presentan una
región de vapor de alta presión y otra de baja presión, pueden
estar estructuradas con una carcasa o con dos carcasas. En el
documento 1997P03012 DE se han representado tales turbomáquinas, en
especiales turbinas de vapor. La ejecución con dos carcasas no
pertenece al campo técnico de la presente invención y por ello no
se representa ulteriormente. La ejecución con una carcasa se
compone de un rotor con dos regiones de paletas de un solo flujo,
dirigidas hacia los respectivos extremos de carcasa. Una región de
paletas se ejecuta como región de paletas de alta presión y otra
región de paletas como región de paletas de baja presión. El vapor
fresco afluyente circula en dirección axial, primero a través de la
región de paletas de la región de paletas de vapor a alta presión.
Desde allí el vapor expandido a continuación parcialmente llega, a
través de un conducto, a la región de paletas de vapor a presión
media.
En el documento GB 100,369 se describe una
turbina de vapor que comprende una turbina parcial de presión media,
una turbina parcial de baja presión y otra turbina parcial de baja
presión. El medio fluido que circula a través de la turbina parcial
de presión media se divide después de circular en dos corrientes
parciales, de las que una corriente parcial circula a través de la
primera turbina parcial de baja presión y la otra corriente parcial
circula dentro de la turbina de vapor hasta otra turbina parcial de
baja presión. Esta turbina de vapor está configurada de tal modo
que la temperatura del medio fluido antes de entrar en la primera
turbina parcial de baja presión es mayor que antes de la entrada en
la segunda turbina parcial de baja presión.
En la región de alta presión y en la de presión
media aumenta relativamente poco el volumen específico, en el caso
de una corriente másica constante, en el desarrollo de la expansión.
A partir de la región de transición entre la presión media y la
baja presión (aproximadamente de 2 a 3 bares) aumenta mucho el
volumen de vapor específico, la corriente volumétrica y con ello
igualmente la superficie de circulación necesaria. La
materialización de la superficie de circulación topa con límites
físicos (por ejemplo resistencia) y exige una gran complejidad
constructiva.
En el caso de estas formas de ejecución
conocidas con región de expansión de alta presión existe el
inconveniente del contacto de vapor caliente con el interior de un
extremo de turbina. Para reducir el vapor que sale de la turbina
entre la carcasa exterior y el rotor se disponen varias coquillas
herméticas. El vapor rico en energía entre las coquillas herméticas
se realimenta parcialmente a regiones de paletaje con temperatura
más baja para la optimización termodinámica del proceso. Con ello
la introducción de vapor de coquillas herméticas en las regiones de
paletaje conduce a un calentamiento de carcasa asimétrica sobre el
perímetro de carcasa, que tiene como consecuencia tensiones y
deformaciones térmicas, es decir, una deformación de la carcasa que,
en ciertos casos, puede llevar a un frotamiento de paletas sobre
la
carcasa.
carcasa.
La presente invención se ha impuesto por ello la
tarea de proyectar una turbomáquina con una carcasa, de tal modo
que no sea necesaria una realimentación de vapor de coquillas
herméticas con vistas a una optimización termodinámica de
procesos.
Otra tarea de la presente invención es indicar
un procedimiento para hacer funcionar una turbina de
vapor.
vapor.
La tarea dirigida a la turbomáquina es resuelta
conforme a la invención por medio de que la turbomáquina presenta
una carcasa exterior, en la que está montado giratoriamente un rotor
con tres regiones de paletas, en donde una de las regiones de
paletas es una región interior según se mira en dirección axial y
las otras son regiones exteriores según se mira en dirección axial,
a través de las cuales circula en funcionamiento un medio fluido a
lo largo de una respectiva dirección de circulación, en donde la
región de paletas interior está confinada por las regiones de
paletas exteriores a lo largo del rotor y las direcciones de
circulación en las regiones de paletas exteriores son mutuamente
opuestas y se alejan de la región de paletas interior, y el medio
fluido puede dividirse con un canal de corriente inversa, después
de circular a través de la región de paletas interior, de tal modo
que una parte del medio fluido circula a través de una región de
paletas exterior y una segunda parte a través de la otra región de
paletas exterior, en donde la carcasa exterior presenta una abertura
de entrada entre la región de paletas exterior y la región de
paletas interior y la carcasa exterior presenta una abertura de
salida entre la región de paletas interior y la otra región de
paletas exterior, en donde la abertura de salida está unida por
mecánica de fluidos a la abertura de entrada a través del canal de
corriente inversa.
Mediante esta configuración se aprovecha por
primera vez la ventaja de que, mediante la disposición antes
descrita de las regiones de paletas, por los extremos de carcasa
exterior sale un medio fluido con valores característicos casi
idénticos como presión, temperatura y corriente volumétrica.
Mediante los reducidos parámetros de salida del vapor en los dos
extremos de carcasa no es necesario disponer sistemas de coquillas
herméticas con realimentación de vapor de coquillas herméticas a la
región de paletaje. Queda descartado un calentamiento asimétrico
sobre el perímetro de carcasa mediante la aplicación de vapor de
coquillas herméticas.
La ejecución compacta de la turbomáquina conduce
a ventajas adicionales en la fabricación, que conducen a ahorros de
material y tiempo. El ahorro de material y tiempo puede achacarse
entre otras cosas a una ejecución de las piezas constructivas en
forma reducida. El uso de menos material conduce a piezas
constructivas de menor masa y con ello a un mejor comportamiento de
arranque y funcionamiento, en especial es aquí ventajosa la
reducción de las últimas etapas de paletas.
Mediante la menor masa varía el momento de
inercia del rotor. Por medio de esto se reduce el tiempo de
arranque. Es ventajoso equipar el canal de corriente inversa con un
compensador axial para compensar dilataciones térmicas. Por medio
de esto se evitan tensiones de la carcasa exterior causadas por la
temperatura. El compensador axial puede estar formado por ejemplo
por un fuelle, etc.
La incidencia del medio fluido sobre las
regiones de paletas rotatorias conduce a una fuerza que actúa en
dirección axial. Esta fuerza recibe el nombre de empuje axial. Para
compensar el empuje axial se ejecuta el rotor, en un
perfeccionamiento ventajoso, con un rebajo de árbol aplicado delante
de la primera región de paletas.
Aquí se obtiene una ventaja esencial mediante la
integración económica y sencilla en la carcasa.
Para reducir fugas entre los extremos de carcasa
exterior y el rotor se disponen coquillas herméticas cono juntas
laberínticas, etc.
La turbo máquina presenta con preferencia una
región de afluencia, en la que se expande el medio fluido en una
región de expansión conectada. La presión del medio fluido en la
región de expansión se expande mediante una etapa reguladora hasta
una presión espacial de rueda. Mediante este método de regulación se
obtiene una posibilidad de regulación rápida y precisa de la
turbomáquina y conduce a un buen comportamiento operativo.
Un perfeccionamiento ventajoso es la ejecución
de la turbomáquina como turbina de vapor.
La turbomáquina puede ejecutarse ventajosamente
como compresor axial.
La tarea dirigida al procedimiento es resuelta
conforma a la invención mediante la descripción de un procedimiento
para hacer funcionar una turbina de vapor. La turbina de vapor que
presenta una carcasa exterior está ejecutada con un rotor montado
giratoriamente con tres regiones de paletas, en donde una de las
regiones de paletas es una región interior según se mira en
dirección axial y las otras son, según se mira en dirección axial,
regiones exteriores a través de las cuales en funcionamiento circula
un medio fluido a lo largo de una respectiva dirección de
circulación, en donde la región de paletas interior está confinada
por las regiones de paletas exteriores a lo largo de un rotor y el
medio fluido, después de circular a través de la región de paletas
interior, se divide en dos corrientes parciales. Después de la
división en dos corrientes parciales una de las corrientes
parciales circula a través de la otra región de paletas, en donde el
medio fluido circula a través de una abertura de salida, dispuesta
sobre la carcasa exterior entre la región de paletas interior y la
otra región de paletas exterior, a través de un canal de corriente
inversa hasta una abertura de entrada dispuesta entre la región de
paletas exterior y la región de paletas interior.
A continuación se explica con más detalle la
invención con base en ejemplos de ejecución, que se han representado
en los dibujos de forma esquemática.
Para piezas constructivas iguales y con idéntica
función se utilizan de forma continua los mismos símbolos de
referencia. Con ello muestran:
la figura 1 un corte longitudinal esquemático a
través de una turbomáquina;
la figura 2 una representación del modo de
funcionamiento de principio de una turbina y de un compresor
axial.
La figura 1 muestra un corte longitudinal
esquemática a través de una turbomáquina 1 con una carcasa exterior
2, varias carcasas interiores 11, 12, 16, 21 y un rotor 3. Sobre el
rotor 3 están dispuestas cuatro regiones de paletas 4, 5, 6, 7. Las
cuatro regiones de paletas se dividen en este ejemplo de ejecución
en dos regiones interiores 5, 6 y dos exteriores 4, 7. Las dos
regiones de paletas exteriores 4, 7 están dispuestas dirigidas una
en contra de la otra y se alejan de las regiones de paletas
interiores 5, 6. Delante de la primera región de paletas interior 5
está practicada en la carcasa exterior una abertura de afluencia 8.
Partiendo de la abertura de afluencia 8 en la dirección de la
primera región de paletas interior 5 está aplicada una etapa de
regulación 9. Después de la etapa de regulación 9 viene una región
de expansión 31 en la dirección de la primera región de paletas 5
interior. En el ejemplo de ejecución citado se han aplicado paletas
directrices 10 a la carcasa interior 11 en la primera región de
paletas interior 5. Después de la primera región de paletas
interior 5 viene otra región de paletas interior 6. En la segunda
región de paletas interior 6 están aplicadas otras paletas
directrices 13 a otra carcasa interior 12. Entre la segunda región
de paletas interior 6 y una región de paletas exterior 7 se
practican una o varias aberturas de salida 14. A la región de
paletas exterior 7 están fijadas otras paletas directrices 15 a
otra carcasa interior 16.
Entre otra región de paletas exterior 4 y la
región de afluencia 8 se encuentra una abertura de afluencia 32 en
la carcasa exterior 2, que está unida por mecánica de fluidos a
través de un canal de corriente inversa 19 a la abertura de salida
14. En la región de la región de paletas exterior 4 se encuentran
otras paletas directrices 20 en otra carcasa interior 21.
El canal de corriente inversa 19 está equipado
con un compensador axial 22 para compensar tensiones térmicas entre
el canal de corriente inversa 19 y la carcasa exterior 2.
El rotor 3 está ejecutado con un rebajo de árbol
23, para compensar el empuje axial del rotor 3.
Entre el rotor 3 y la carcasa exterior 2 están
dispuestas coquillas herméticas 24a y 24b, para reducir las fugas
hacia fuera de la turbomáquina.
En funcionamiento circula un medio fluido a
través de la abertura de afluencia 8 hasta la turbomáquina 1. Desde
allí el medio fluido llega a la etapa de regulación 9, en donde la
presión se depresiona hasta una presión espacial de rueda. A
continuación el medio fluido circula a través de la primera región
de paletas 5. En el ejemplo de ejecución representado el medio
fluido circula después a través de la segunda región de paletas 6.
Después de esta segunda región de paletas 6 se divide el medio
fluido, por medio de una o dos aberturas 14, en dos corrientes
parciales 18, 33. La corriente parcial 33 circula a través de la
región de paletas exterior 7. A través del canal de corriente
inversa 19 afluye la segunda corriente parcial 18 a la abertura de
afluencia 32. Desde allí la corriente parcial circula a través de
la otra región de paletas exterior 4. Las dos corrientes parciales
salen de la turbomáquina 1, después de circular a través de las
regiones de paletas exteriores 4, 5, a través de las aberturas de
salida 17a, 17b.
Mediante la división del medio fluido en dos
corrientes parciales 18, 33 y la disposición representada de las
regiones de paletas 4, 5, 6 y 7 las corrientes parciales aisladas
del medio fluido dividido llegan a las regiones de paletas
exteriores 4, 7 con unos valores característicos casi idénticos como
presión, temperatura y corriente volumétrica. Una ventaja consiste
con esto en el calentamiento simétrico de la carcasa. Mediante los
reducidos valores de estado del medio fluido en estas regiones se
producen menores deformaciones térmicas, y aumenta la seguridad de
funcionamiento de la turbomáquina. Es ventajosa la ejecución de
coquillas herméticas entre la carcasa exterior y el rotor para
reducir las fugas sin realimentación del vapor de coquillas
herméticas entre las regiones de paletaje.
Mediante la ejecución compacta con una carcasa
se obtienen ventajas adicionales en la fabricación y en el
comportamiento de arranque y funcionamiento. Con ello se aprovecha
que pueda ahorrarse material. En especial pueden fabricarse las
últimas etapas de paletas en menores tamaños.
En la figura 2 se ha representado el principio
activo de la turbomáquina 1 conforme a la invención. Por un lado la
turbomáquina puede ejecutarse como máquina de vapor y por otro lado
como compresor axial.
En el caso de una ejecución como turbina de
vapor se representa el principio activo como se describe a
continuación. A través de un generador de vapor 25 entra a través
de un conducto de alimentación 27 a un interior de turbina de vapor
28. Después de circular a través de las regiones de paletas 4, 5, 6
y 7 predescritos en el interior de turbina de vapor 28 se expande
el vapor caliente y circula, a través de un conducto de salida 29,
hasta un condensador 30. La rotación del rotor 3 puede utilizarse
para generar energía
eléctrica.
eléctrica.
En el caso de una ejecución como compresor axial
se representa el principio activo como se describe a continuación.
Mediante el giro forzado del rotor 3 se alimenta aire atmosférico o
similar a una abertura de entrada 30a a través de un conducto de
alimentación 29a en un interior de compresor axial 28a. En el
interior de compresor axial 28a se comprime el aire atmosférico
mediante una dirección de la rotación del rotor 3, inversa con
relación a la turbina de gas, y con ello de las regiones de paletas
4, 5, 6 y 7 predescritas y llega a través de un conducto 27, muy
comprimido, hasta una salida 25a.
Claims (8)
1. Turbomáquina (1) con una carcasa exterior
(2), en la que está montado giratoriamente un rotor (3) con tres
regiones de paletas (4, 5, 6, 7), en donde una de las regiones de
paletas es una región interior (5, 6) según se mira en dirección
axial y las otras son regiones exteriores (4, 7) según se mira en
dirección axial, a través de las cuales circula en funcionamiento
un medio fluido a lo largo de una respectiva dirección de
circulación, en donde la región de paletas interior (5, 6) está
confinada por las regiones de paletas exteriores (4, 7) a lo largo
del rotor (3) y las direcciones de circulación en las regiones de
paletas exteriores (4, 7) son mutuamente opuestas y se alejan de la
región interior (5, 6), y el medio fluido puede dividirse con un
canal de corriente inversa (19), después de circular a través de la
región de paletas interior (5, 6), de tal modo que una parte del
medio fluido circula a través de una región de paletas exterior (4)
y una segunda parte a través de la otra región de paletas exterior
(7), caracterizada porque la carcasa exterior (2) presenta
una abertura de entrada (32) entre la región de paletas exterior (4)
y la región de paletas interior (5, 6) y la carcasa exterior (2)
presenta una abertura de salida (14) entre la región de paletas
interior (5, 6) y la otra región de paletas exterior (7), en donde
la abertura de salida (14) está unida por mecánica de fluidos a la
abertura de entrada (32) a través del canal de corriente inversa
(19).
2. Turbomáquina (1) según la reivindicación 1,
caracterizada porque el canal de corriente inversa (19) está
dotado de un compensador axial (22) para compensar una dilatación
térmica.
3. Turbomáquina (1) según una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque para compensar
el empuje axial se ejecuta el rotor (3) con un rebajo de árbol (23)
aplicado delante de la región de paletas interior (5, 6).
4. Turbomáquina (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque para reducir
fugas desde la turbomáquina (1) entre el rotor (3) y la carcasa
exterior (2) se disponen coquillas herméticas (24a, 24b).
5. Turbomáquina (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 4 con al menos una región de afluencia (8) para
el medio fluido y una región de expansión que se conecta a la
región de afluencia (8), caracterizada porque la presión del
medio fluido puede depresionarse en la región de expansión mediante
una etapa de regulación (9) hasta una presión espacial de
rueda.
6. Turbomáquina (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por una ejecución como
turbina de vapor.
7. Turbomáquina (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por una ejecución como
compresor axial.
8. Procedimiento para hacer funcionar una
turbina de vapor que presenta una carcasa exterior (2) y está
ejecutada con un rotor (3) montado giratoriamente con tres regiones
de paletas (4, 5, 6, 7), en donde una de las regiones de paletas
(5, 6) es una región interior (5, 6) según se mira en dirección
axial y las otras son, según se mira en dirección axial, regiones
exteriores (4, 7) a través de las cuales en funcionamiento circula
un medio fluido a lo largo de una respectiva dirección de
circulación, en donde la región de paletas interior (5, 6) está
confinada por las regiones de paletas exteriores (4, 7) a lo largo
del rotor (2) y el medio fluido, después de circular a través de la
región de paletas interior (5, 6), se divide en dos corrientes
parciales, en donde una de las corrientes parciales circula a
través de una región de paletas exterior (7) y la otra corriente
parcial a través de la otra región de paletas (4),
caracterizado porque el medio fluido circula a través de una
abertura de salida (14), dispuesta sobre la carcasa exterior (2)
entre la región de paletas interior (5, 6) y la otra región de
paletas exterior (7), a través de un canal de corriente inversa (19)
hasta una abertura de entrada (32) dispuesta entre la región de
paletas exterior (4) y la región de paletas interior
(5, 6).
(5, 6).
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