ES2286985T3 - Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de turbina de gas. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que comprende una pluralidad de grupos (12) de paletas (13) de estator, las cuales están asociadas con una pluralidad de placas de estanqueidad externas (11), para la conexión de dichos grupos (12) al revestimiento externo de la cámara de combustión, y están asociadas con una pluralidad de placas de estanqueidad internas (41), para la conexión de dichos grupos (12) al revestimiento interno de la cámara de combustión, en el que cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator está bloqueado por un anillo interno (14), en el que dicho anillo (14) tiene una primera serie de orificios externos (29) para reforzar este bloqueo, y una segunda serie de orificios pasantes internos (28), los cuales están dispuestos en una extensión interna (34) de dicho anillo (14), y se utilizan para fijar el anillo (14) mismo a la estructura de la turbina de gas, caracterizado porque una porción periférica dedicho anillo (14) tiene un surco circunferencial (30), el cual comunica con dichos orificios pasantes (29), los cuales a su vez están alineados con unos correspondientes orificios ciegos (31).

Description

Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de turbina de gas.

La presente invención se refiere a un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas.

Como es sabido, las turbinas de gas son máquinas que se componen de un compresor y de una turbina con una o más etapas, en las que dichos componentes están conectados entre sí mediante un eje rotatorio, y en las que una cámara de combustión está dispuesta entre el compresor y la turbina.

Con el fin de presurizar el compresor, se le suministra aire obtenido de la atmósfera externa.

El aire comprimido pasa a través de una serie de cámaras de premezclado, cuyos extremos situados en una porción convergente, también conocida como el refuerzo, hacia el interior cada una de las cuales un inyector suministra combustible el cual es mezclado con el aire, con el fin de formar una mezcla de aire y combustible que va a quemarse.

Con el fin de mejorar las características de combustión, se proporciona generalmente un elemento que intercepta el flujo de aire obtenido a partir del compresor, y que tiene una forma compleja, compuesta por dos series de cuchillas, orientadas en direcciones opuestas, diseñadas todas para producir turbulencia en la mezcla de aire y combustible.

El combustible es admitido dentro de la cámara de combustión, y es inflamado por medio de las correspondientes bujías, con el fin de producir la combustión, la cual está diseñada para originar un incremento de la temperatura y la presión, y con ello la entalpía del gas.

Simultáneamente, el compresor suministra aire comprimido, el cual se hace pasar a través de los quemadores y a través de los revestimientos de la cámara de combustión, de forma que puede disponerse del aire comprimido para ayudar a la combustión.

A continuación, por medio de unos conductos, el gas a alta temperatura y alta presión alcanza las diversas etapas de la turbina, la cual transforma la entalpía del gas en energía mecánica de la que puede disponer un usuario.

En las turbinas de dos etapas, el gas es procesado en la primera etapa de la turbina en condiciones de temperatura y presión bastantes elevadas, y experimenta allí una primera expansión; mientras que en la segunda etapa de la turbina, el gas experimenta una segunda expansión, en condiciones de temperatura y presión que son menores a las del caso anterior.

Así mismo es sabido que, con el fin de obtener el rendimiento óptimo de una turbina de gas específica, la temperatura del gas necesita ser lo más elevada posible; sin embargo, los valores de temperatura máximos que pueden obtenerse al utilizar la turbina están limitados por la resistencia de los materiales empleados.

Con el fin de poner de manifiesto los problemas técnicos resueltos por la presente invención, a continuación se ofrece una breve descripción de un estator de una etapa de alta presión de una turbina de gas de acuerdo con la técnica conocida.

Corriente abajo de la cámara de combustión, la turbina tiene un estator y un rotor de alta presión, utilizándose el estator para suministrar el flujo de gases quemados en las condiciones apropiadas a la toma del rotor, y, en particular, para dirigirlo de forma apropiada hacia el interior de las aberturas de las cuchillas del rotor, para impedir que el flujo incida directamente en la superficie dorsal o convexa y en la superficie ventral o cóncava de las cuchillas.

El estator se compone de una serie de paletas de estator, entre cada uno de cuyos pares se dispone una correspondiente tobera.

El grupo de paletas de estator se presenta en forma de anillo, y está conectado exteriormente a la carcasa de la turbina, e interiormente a un soporte correspondiente.

En este sentido, debe destacarse que un primer problema técnico de los estatores, en particular en el supuesto de etapas de alta presión, viene provocado por el hecho de que el estator está sometido a unas cargas de alta presión, debido a la reducción de la presión del fluido, que se expande en las aberturas del estator.

Así mismo, el estator está sometido a niveles de alta temperatura, debido a que el flujo de gases calientes obtenidos a partir de la cámara de combustión y, a los flujos de aire frío que son introducidos en la turbina, para enfriar las piezas que están sometidas al mayor esfuerzo desde un punto de vista térmico.

Concretamente debido a estas altas temperaturas, las paletas de estator que se utilizan en la etapa de alta presión de las turbinas deben enfriarse, y, con este fin, tienen una superficie que está convenientemente provista de unos orificios para unos conductos, en los cuales permiten la circulación de aire dentro de la misma paleta de estator.

Otro problema particularmente bien conocido en la técnica es el de garantizar el óptimo soporte y bloqueo de las paletas de estator, en particular en la etapa de alta presión.

Así mismo, los estatores convencionales tienen unos sistemas de soporte y bloqueo que no permiten un fácil desmontaje, cuando ello es necesario con el fin de llevar a cabo operaciones de mantenimiento o sustitución de una o más paletas de estator gastadas o dañadas.

Otro problema consiste en el hecho de que los estatores están sometidos a las vibraciones transmitidas por las paletas de estator durante el funcionamiento de la máquina.

Sin embargo, las paletas de estator tienen que tener pequeñas dimensiones, porque los gases de alta presión tienen una densidad muy alta; esto significa que las secciones transversales del paso de las primeras etapas deben ser considerablemente más pequeñas que las secciones transversales del paso de las etapas subsecuentes, cuando el gas ha experimentado una expansión inicial.

El documento US 5,343,694 describe un soporte de tobera de turbina.

El documento US 3,363,416 describe un medio de soporte de las paletas de entrada de una turbina.

El objeto de la presente invención es, por tanto, proporcionar un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que sea particularmente fiable.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que tenga una estructura simple y compacta.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que sea de bajo coste, y se componga de un número reducido de piezas componentes.

Otro objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que permita una fácil instalación y desmontaje de las paletas de estator en caso de que se requiera, con el fin de llevar a cabo el mantenimiento y opcionalmente la sustitución de aquéllas.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que permita una distancia óptima respecto de las vibraciones que afectan a las paletas de estator, y que impida que estas vibraciones sean transferidas a otros elementos del motor.

Un objeto adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que sea seguro, sencillo y económico.

Estos y otros objetos se consiguen mediante un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta temperatura en turbinas de gas, de acuerdo con lo definido en la reivindicación adjunta 1.

De acuerdo con una forma de realización preferente de la presente invención cada uno de los grupos de paletas de estator tiene unas ranuras exteriores para su encaje con las placas de estanqueidad exteriores y unas ranuras interiores para su encaje con las placas de estanqueidad interiores.

Así mismo, cada uno de los grupos de paletas de estator está conectado por medio de unas ranuras exteriores a las placas de estanqueidad exteriores, por medio de un primer grupo de pasadores, y por medio de unas ranuras internas a las placas de estanqueidad interiores, por medio de un segundo grupo de pasadores.

Una porción periférica del anillo tiene un surco circunferencial, el cual comunica con los orificios pasantes, los cuales a su vez están alineados con los correspondientes orificios ciegos.

De acuerdo con una forma de realización preferente adicional de la presente invención, los grupos de paletas de estator tienen en su interior unas placas que están provistas de unos orificios, y estas placas están insertadas dentro del surco circunferencial, de forma que los orificios comunican con los orificios pasantes con el fin de reforzar el bloqueo de los grupos de las paletas de estator sobre el anillo, por medio de pasadores.

De acuerdo con otra forma de realización preferente de la presente invención, cada uno de los grupos de paletas de estator tiene unas proyecciones que se apoyan en el cuerpo de la turbina de gas.

De acuerdo con otra forma de realización preferente de la presente invención, el anillo tiene un conducto que comunica entre el exterior de la cámara de combustión, y la porción corriente abajo de los grupos de paletas de estator, el cual comunica con una porción frontal del anillo, y tiene una primera porción y una segunda porción, la cual tiene un diámetro más pequeño que la primera porción, y la primera y segunda porciones están conectadas entre sí mediante una porción adicional frustocónica.

Así mismo, el conducto comunica con la porción trasera del anillo, que da cara a dicho elemento tipo placa, sobre una porción final frustocónica.

Características adicionales de la invención se definen en las reivindicaciones que se adjuntan a la presente solicitud de patente.

Objetos y ventajas adicionales de la presente invención se pondrán de manifiesto a partir del examen de la descripción subsecuente y de los dibujos adjuntos, los cuales se ofrecen únicamente a modo de ejemplo no limitativo, y en los cuales:

- la Figura 1 muestra una vista frontal de una porción de un grupo de paletas de estator, bloqueadas por medio de un dispositivo de acuerdo con la presente invención;

- la Figura 2 muestra una vista desde atrás de una porción del grupo de paletas de estator mostrado en la Figura 1;

- la Figura 3 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea III-III de la Figura 2;

- la Figura 4 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea IV-IV de la Figura 2;

- la Figura 5 muestra una vista en sección transversal de acuerdo con la línea V-V de la Figura 1;

- la Figura 6 muestra una vista desde atrás de un grupo de paletas de estator;

- la Figura 7 muestra una vista frontal de un anillo de bloqueo y soporte de acuerdo con el dispositivo según la presente invención;

- la Figura 8 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea VIII-VIII de la Figura 7; y

- la Figura 9 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea IX-IX de la Figura 7.

Con particular referencia a las Figuras en cuestión, el dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, de acuerdo con la presente invención, se indica como conjunto mediante la referencia numeral 10.

El dispositivo 10 comprende una pluralidad de grupos 12 de paletas 13 de estator, cada uno de las cuales está conectado por medio de una placa de estanqueidad 11 a la línea exterior de la cámara de combustión de la turbina de gas (no mostrada por razones de simplicidad), todos los cuales están diseñados para asegurar por medio de su contacto, que los gases calientes producidos en la cámara de combustión fluyen todos a través de las paletas de esta-
tor.

Cada grupo 12 de paletas 13 de estator está también asociado con una placa de estanqueidad interna 41, para su conexión con el revestimiento interno de la cámara de combustión de gas (no mostrada por razones de simplicidad).

La placa de estanqueidad interna 41 funciona de manera similar a la placa de estanqueidad interna 11.

Así, los grupos 12 de paleta 13 de estator son soportados a lo largo de un perfil anular que determina la sección transversal de paso de los gases, y están contenidos entre las placas de estanqueidad externas 11 y las placas de estanqueidad internas 41.

Más detalladamente, cada grupo 12 consiste en un par de paletas 13 de estator, las cuales, por medio de sus posiciones recíprocas, forman las toberas 15 para el paso de gas; así mismo, las paletas 13 de estator tienen sobre su superficie externa una pluralidad de orificios de refrigeración, los cuales comunican con unos conductos de refrigeración internos.

El grupo 12 de paletas 13 de estator está contenido entre un perfil arqueado externo 22 y un perfil arqueado interno 23, y cada una de las paletas 13 tiene un perfil con forma de ala.

Cada grupo 12 de paletas 13 de estator tiene unas ranuras externas 16 para su encaje con las placas de estanqueidad 11, y unas ranuras internas 17 para su encaje con las placas de estanqueidad internas 41.

Con el fin de reforzar la conexión con los grupos 12, se utilizan unos pasadores 18 destinados a las ranuras externas 16, y unos pasadores 19 destinados a las ranuras internas 17, como puede apreciarse, por ejemplo, en las Figuras 4 y 5.

Esta conexión resulta también mejorada por medio del empleo de unos resortes 20 para los pasadores 18, y de unos resortes 21 para los pasadores 19.

Los grupos 12 de paletas 13 de estator están bloqueados sobre el interior por medio de un anillo 14, el cual puede apreciarse en la Figura 7, y tiene una primera serie externa de orificios 29, y una segunda serie interna de orificios 28.

El orificio pasante 28, el cual está dispuesto sobre una extensión interna 34 del anillo 14, se utiliza para fijar el anillo 14 mismo a la estructura de la turbina de gas.

Puede apreciarse que la porción periférica del anillo 14 tiene un surco circunferencial 30, el cual comunica con los orificios pasantes 29, los cuales a su vez están alineados con unos correspondientes orificios ciegos 31.

Los grupos 12 de paletas 13 de estator tienen sobre su interior una serie de placas 43, las cuales a su vez están provistas de unos orificios 33, y están insertadas dentro del surco circunferencial 30, de forma que los orificios 33 comunican con los orificios pasantes 29.

Los grupos 12 de paletas 13 de estator están bloqueados sobre el anillo 14 por medio de unos pasadores 50 los cuales atraviesan los orificios 29 y los orificios 33.

También está dispuesto un rebajo circunferencial 36, asociado con el labio del anillo 14, el cual comunica, en sus propios extremos, con los pasadores 50 insertados en los diversos orificios 33 y 29.

Una característica adicional de la invención consiste en el hecho de que cada uno de los grupos 12 de paletas 13 de estator tiene unas proyecciones 42, las cuales se apoyan en el cuerpo de la turbina de gas.

El anillo 14 tiene un conducto 26 de comunicación entre el exterior de la cámara de combustión y la porción corriente abajo que parte de los grupos 12 de las paletas 13 de estator, la cual comunica con una porción frontal del anillo 14, y tiene una primera porción 26a y una segunda porción 26b, con un diámetro más pequeño que la porción 26a, mientras que las dos porciones 26a y 26b están conectadas entre sí mediante una porción frustocónica adicional 26c.

En la porción trasera del anillo 14, el conducto 26 se comunica dando cara al elemento tipo placa 36, con una porción frustocónica final 26d.

Cuando la turbina de gas está funcionando, el flujo de gas de alta temperatura tiende a propulsar el grupo 12 de paletas 13 de estator en dirección axial hacia el área de las cuchillas del rotor.

Sin embargo, el sistema de bloqueo descrito, y en particular las proyecciones 42, cuando se apoyan en el cuerpo de la turbina de gas, tienden a retener el grupo 12 en posición.

Así mismo, el flujo de gas sobre las paletas 13 de estator tiende a hacer girar el grupo 12 mientras que la forma de las toberas 15 conduce el flujo de gas en una dirección apropiada para hacer que el rotor de la turbina funcione.

Esta tendencia del grupo 12 a rotar es contrarrestada por la conexión de los grupos 12 con el anillo 14, por medio de las placas 43, las cuales están insertadas dentro del surco circunferencial 30.

La descripción ofrecida pone de manifiesto las características y ventajas del dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que constituye el objeto de la presente invención.

Debe apreciarse que pueden ofrecerse muchas variantes del dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una fase de alta presión en turbinas de gas, que constituye el objeto de la presente invención, sin apartarse de los principios de novedad inherentes al concepto inventivo.

Finalmente, debe apreciarse que puede emplearse cualquier material, configuración y dimensiones de los detalles ilustrados, en caso necesario, en la puesta en práctica de la invención, y pueden sustituirse por otros que sean técnicamente equivalentes.

Claims (11)

1. Un dispositivo de soporte y bloqueo para toberas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que comprende una pluralidad de grupos (12) de paletas (13) de estator, las cuales están asociadas con una pluralidad de placas de estanqueidad externas (11), para la conexión de dichos grupos (12) al revestimiento externo de la cámara de combustión, y están asociadas con una pluralidad de placas de estanqueidad internas (41), para la conexión de dichos grupos (12) al revestimiento interno de la cámara de combustión, en el que cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator está bloqueado por un anillo interno (14), en el que dicho anillo (14) tiene una primera serie de orificios externos (29) para reforzar este bloqueo, y una segunda serie de orificios pasantes internos (28), los cuales están dispuestos en una extensión interna (34) de dicho anillo (14), y se utilizan para fijar el anillo (14) mismo a la estructura de la turbina de gas, caracterizado porque una porción periférica de dicho anillo (14) tiene un surco circunferencial (30), el cual comunica con dichos orificios pasantes (29), los cuales a su vez están alineados con unos correspondientes orificios ciegos (31).

2. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator tiene unas ranuras externas (16) para su encaje con dichas placas de estanqueidad externas (11), y unas ranuras internas (17) para su encaje con dichas placas de estanqueidad internas (41).

3. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator está conectado, por medio de dichas ranuras externas (16), a dichas placas de estanqueidad externas (11), por medio de unos pasadores (18), y por medio de dichas ranuras internas (17), a dichas placas de estanqueidad internas (41), por medio de unos pasadores (19).

4. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la conexión con dichas placas de estanqueidad externas (11) es mejorada por medio del empleo de unos resortes (20) asociados con dichos pasadores (18), y la conexión con dichas placas de estanqueidad internas (41) es mejorada por medio del empleo de unos resortes (21) asociados con dichos pasadores (19).

5. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dichos grupos (12) de paletas (13) de estator tienen sobre sus placas interiores (43) previstas de unos orificios (33), en el que dichas placas (33) están insertadas dentro de dicho surco circunferencial (30), de forma que dichos orificios (33) comunican con dichos orificios pasantes (29), con el fin de reforzar el bloqueo de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator sobre dicho anillo (14) por medio de unos pasadores (50).

6. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque tiene un rebajo circunferencial (36) asociado con el labio de dicho anillo (14), y que comunica en sus propios extremos con los pasadores (50) insertados en dichos orificios (33) y (29).

7. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator tiene unas proyecciones (42) que se apoyan en el cuerpo de dicha turbina de gas.

8. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho anillo (14) tiene un conducto (26) de comunicación entre el exterior de la cámara de combustión y la porción corriente abajo desde dichos grupos (12) de paletas (13) de estator, que desemboca en una porción frontal de dicho anillo (14), y tiene una primera porción (26a) y una segunda porción (26b) con un diámetro más pequeño que la porción (26a), mientras que las dos porciones (26a y 26b) están conectadas entre sí mediante una porción frustocónica adicional (26c).

9. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicho conducto (26) comunica, en la porción trasera del anillo (14), con una porción frustocónica (26d).

10. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas (13) de estator está contenido entre un perfil arqueado externo (22) y un perfil arqueado interno (23).

11. Dispositivo de soporte y bloqueo para toberas, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) consiste en un par de paletas (13) de estator las cuales, por medio de su posición recíproca, forman las toberas (15) para el paso de gas, en el que dichas paletas (13) de estator tienen en su superficie una pluralidad de orificios de refrigeración.