ES2289256T3 - Sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de alabes de turbinas de gas. - Google Patents

Sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de alabes de turbinas de gas. Download PDF

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Abstract

Sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de álabe de turbinas de gas, en el que dos cuerpos (10a, 10b) limitan mutuamente con dos caras frontales (24, 25) extendidas a lo largo de un eje longitudinal (26), formando una abertura (18), cuyo ancho puede variar entre cero y un ancho máximo (X), y en el que la abertura (18) está cubierta por una banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) situada transversalmente a la abertura (18), extendida a lo largo del eje longitudinal (26), que está montada con holgura en dos ranuras opuestas (16, 17; 16a, 17a;....;16d, 17d) de una profundidad (T) predeterminada, insertadas transversalmente a la abertura (18) en las caras frontales (24, 25) del cuerpo (10a, 10b), presentando la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) un ancho de base (S) transversal al eje longitudinal (26), que sea menor o igual al doble de la profundidad de las ranuras (16, 17; 16a, 17a;....;16d, 17d), caracterizado porque la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) presenta medios adicionales (21), que evitan un deslizamiento de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) de las ranuras (16, 17; 16a, 17a;....;16d, 17d), cuando la suma del ancho máximo (X) de la abertura (18) y de la profundidad (T) de las ranuras (16, 17; 16a, 17a;....; 16d, 17d) sea mayor o igual que el ancho de base (S) de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).

Description

Sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de álabes de turbinas de gas.
Ámbito técnico
La presente invención hace referencia al ámbito de las máquinas térmicas. Se relaciona con un sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de álabes de una turbina de gas, conforme al término genérico de la Reivindicación 1.
Un sistema de estanqueidad de este tipo se conoce, por ejemplo, gracias al impreso EP-A2-0 896 128 ó US-A-3 752 598.
Estado actual de la técnica
Las etapas de turbina de las turbinas de gas comprenden series de álabes directrices (estator) y álabes móviles (rotor). Estas series se construyen, en cada caso, a partir de un determinado número de segmentos de álabe. Un segmento de álabe directriz de este tipo se representa en la Fig. 1, en vista de perfil en perspectiva. La parte central del segmento de álabe directriz 10 de la Fig. 1 es el verdadero perfil del álabe 11, que está limitado por ambos extremos por segmentos de banda de cubierta en forma de plataforma 12, 13. El segmento externo de banda de cubierta 12 forma junto con los segmentos externos de banda de cubierta de los otros segmentos de álabe de la serie una banda anular externa de cubierta del álabe. El segmento interno de banda de cubierta 13 forma correspondientemente, junto con los segmentos internos de banda de cubierta de los otros segmentos de álabe de la serie una banda anular interna de cubierta del álabe. Entre las bandas anulares interna y externa de cubierta del álabe se configura un canal anular formado, a través del cual circula el medio de trabajo caliente de la turbina de gas. Por fuera del canal anular circula habitualmente aire refrigerante, que está separado del medio de trabajo caliente por las bandas de cubierta del álabe.
Por las caras frontales de los segmentos de banda de cubierta 12, 13 se prevén sellos externo e interno de la banda de cubierta 14 y/o 15 que discurren en la dirección de un eje longitudinal 26, que sirven para el sellado de los huecos (aberturas) entre segmentos adyacentes de banda de cubierta. La sección transversal de uno de estos sistemas conocidos de estanqueidad a lo largo del plano A-A de la Fig. 1 se representa en la Fig. 2(a). Conforme a la Fig. 2(a), dos segmentos adyacentes de álabes directrices 10a y 10b limitan mutuamente en la zona de los segmentos de banda de cubierta con sus caras frontales 24, 25, formándose una abertura 18. En las caras frontales 24, 25 de los segmentos de álabes directrices 10a, 10b se disponen, perpendicularmente a la abertura 18, ranuras 16, 17 que discurren en la dirección del eje longitudinal 26, que alojan una banda de estanqueidad 19 (con holgura). Las ranuras 16, 17 se pueden introducir en los segmentos, por ejemplo, mediante EDM (Electrical Discharge Machining), esmerilado o fresado. La banda de estanqueidad 19 rectangular plana se representa en la Fig. 2(b) en vista de perfil en perspectiva.
A causa de la dilatación térmica durante la marcha, los segmentos adyacentes tienen que proyectarse con una holgura nominal en estado frío, para poder soportar la dilatación térmica. La holgura nominal se superpone mediante tolerancias, que se obtienen a partir del tipo de fijación perimetral de los segmentos. Se origina en conjunto una holgura en forma de una abertura 18, cuyo ancho puede adoptar valores entre 0 y un ancho máximo (holgura máxima) X (véase la Fig. 2(a)). La holgura nominal asciende convencionalmente a 1. . . 3 mm, la holgura máxima (X) a 3 . . . 5 mm. Las ranuras 16, 17 tienen, en cada caso, una profundidad T, la banda de estanqueidad 19 presenta un ancho de base S (véase la Fig. 2(a)). La profundidad T y el ancho de base S tienen que satisfacer determinadas condiciones, para que la banda de estanqueidad 19 no pueda salirse de las ranuras (en caso de holgura máxima X) o se pliegue (en caso de holgura 0):
(1)S\leq 2 \cdot T.
Si se cumple la condición (1), la banda de estanqueidad 19 no se carga tampoco entonces en dirección transversal, cuando la holgura y/o el ancho de la abertura 18 sea cero (véase la representación de la Fig. 4(a)).
(2)S - T \geq X.
Si se cumple la condición (2), se evita la situación representada en la Fig. 4(b), en la que la banda de estanqueidad 19 puede salirse de las ranuras 16, 17 o torcerse en la abertura 18, de forma que se deforme y deteriore en una siguiente reducción de la holgura.
Resulta perjudicial, en este tipo de dimensionamiento, que la profundidad T de las ranuras 16, 17 y el ancho S de la banda de estanqueidad 19 pueden volverse muy grandes en función del ancho máximo X de la abertura 18 y/o de la holgura. La profundidad T de las ranuras 16, 17 y el ancho del sello pueden estar limitados por el procedimiento de fabricación, la geometría predeterminada o los requisitos de enfriamiento de las caras frontales 24, 25 de los segmentos. En estos casos se tiene que llegar entonces a un compromiso o emplear otro método de estanqueidad.
Representación de la invención
Es, por tanto, objetivo de la presente invención, especificar un sistema de estanqueidad particularmente aplicable a los segmentos de álabe de turbinas de gas, que evite los inconvenientes de los sistemas de estanqueidad conocidos y se distinga particularmente por el hecho de que, con un coste comparativamente pequeño, puede agarrarse de manera segura una mayor holgura máxima entre los cuerpos y/o segmentos adyacentes.
El objetivo se resuelve mediante la totalidad de las características de la Reivindicación 1. El núcleo de la invención consiste en, partiendo de la forma habitual de la banda de estanqueidad, prever medios adicionales en la banda de estanqueidad, que eviten un deslizamiento de la banda de estanqueidad de las ranuras, cuando la suma del ancho máximo de la abertura y de la profundidad de las ranuras sea mayor o igual que el ancho de base de la banda de estanqueidad.
Una ordenación preferente de la presente invención se caracteriza por el hecho de que los medios adicionales comprenden lengüetas dispuestas distribuidas por las caras longitudinales de la banda de estanqueidad, limitadas en la dirección del eje longitudinal, que incrementan localmente el ancho de la banda de estanqueidad un ancho adicional predeterminado más allá del ancho de base. Las lengüetas incrementan con su ancho adicional, por un lado, la holgura máxima puenteable de manera segura mediante la banda de estanqueidad. Por otro lado, las lengüetas pueden ceder localmente mediante doblado, cuando, en caso de holgura cero, las fuerzas transversales afecten a la banda de estanqueidad.
Preferentemente se disponen al menos dos lengüetas por una cara longitudinal de la banda de estanqueidad distribuidas a lo largo de la cara longitudinal. Particularmente se disponen al menos dos lengüetas por los extremos de la cara longitudinal. De este modo se origina en cada momento una posición estable y predeterminada de la banda de estanqueidad en las ranuras.
Resulta especialmente favorable una geometría, en la que las lengüetas se dispongan en parejas mutuamente opuestas por ambas caras longitudinales de la banda de estanqueidad.
Las lengüetas se diseñan preferentemente en la banda de estanqueidad y presentan el mismo grosor que la banda de estanqueidad.
Las lengüetas pueden encontrarse, además, en el estado inicial en el plano de la banda de estanqueidad. Sin embargo, también pueden estar dobladas hacia fuera del plano de la banda de estanqueidad, en el estado inicial.
El sistema de estanqueidad es especialmente ahorrador de espacio y de poca carga para la banda de estanqueidad, cuando, conforme a otra ordenación, se diseñan bolsas más profundas para la incorporación de las lengüetas en las correspondientes posiciones de las ranuras.
En el más simple de los casos, las paredes de las ranuras pueden orientarse perpendicularmente a la abertura.
Resulta también concebible, que las paredes de las ranuras se orienten, por una cara o por ambas caras, diagonalmente a la abertura, de tal manera, que las ranuras presenten un perfil en V de la sección transversal.
Otros modos de ejecución se deducen de las Reivindicaciones dependientes.
Breve explicación de las figuras
La presente invención debería describirse a continuación más detalladamente en base a los ejemplos de ejecución en relación con el diseño. Muestran
Fig. 1 en una vista de perfil en perspectiva, un segmento de álabe directriz de una turbina de gas acorde al estado actual de la técnica.
Fig. 2 en dos figuras parciales, la sección transversal de un sistema de estanqueidad conocido en el plano A-A de la Fig. 1 (figura parcial (a)), así como la vista de perfil en perspectiva de la correspondiente banda de estanqueidad (figura parcial (b)).
Fig. 3 en una representación comparable a la Fig. 2, un ejemplo de ejecución preferente del sistema de estanqueidad conforme a la invención;
Fig. 4 en una representación comparable a la Fig. 2(a), los casos extremos del juego infinitesimal (figura parcial (a)) y de la holgura máxima (figura parcial (b)) en el sistema de estanqueidad del estado actual de la técnica;
Fig. 5 en la representación comparable a la Fig. 4, el comportamiento del sistema de estanqueidad de la Fig. 3;
Fig. 6 en tres figuras parciales (a), (b) y (c), diferentes configuraciones de las ranuras en un sistema de estanqueidad acorde a la invención;
Fig. 7 en dos figuras parciales (a), (b), diferentes formas de la banda de estanqueidad para el sistema de estanqueidad acorde a la Fig. 3 ó 6; y
Fig. 8 en tres figuras parciales (a), (b) y (c), diferentes configuraciones de las ranuras y bandas de estanqueidad en un sistema de estanqueidad acorde a la invención.
Vías de ejecución de la invención
En la Fig. 3 se reproduce un ejemplo de ejecución preferente del sistema de estanqueidad conforme a la presente invención en una representación comparable a la Fig. 2. Las mismas piezas están además provistas de los mismos símbolos de referencia. La simple banda rectangular de estanqueidad 19 de la Fig. 2 se sustituye en la Fig. 3 por una banda de estanqueidad 20, que presenta una mayoría de lengüetas 21 diseñadas distribuidas por las caras longitudinales. Las lengüetas 21 confieren a la banda de estanqueidad 20 - tal y como puede verse ilustrativamente en la Fig. 8(a) - localmente, por ambas caras, un ancho S1 y/o S2 adicional al ancho de base S. En el más simple de los casos de pares simétricos de lengüetas, S1 = S2. En caso de dimensionado apropiado de S1, S2, el ancho adicional no juega ningún papel, en caso de holgura mínima = 0, porque las lengüetas 21 se doblan entonces mediante las fuerzas transversales y el ancho adicional de la banda de estanqueidad 20 desaparece considerablemente (Fig. 5 (a)). En cambio, en caso de holgura máxima X (Fig. 5(b)), puede aumentarse correspondientemente el valor de X aún tolerable de manera segura, mediante el ancho adicional S1 + S2 = 2\cdotS1. Se aplica aún, por consiguiente, la condición (1) citada inicialmente, en caso de holgura cero. Para la holgura máxima X se aplica, por contraste, a causa del ancho adicional:
(3)S + 2 \cdot S1 – T \geq X.
De la condición (3) resulta directamente, que frente a los sistemas de estanqueidad conocidos (véase la condición (2)) para valores constantes de S y T se pueden tolerar mayores valores de X, sin poner en peligro el sistema de estanqueidad y/o la banda de estanqueidad 20. Si las lengüetas 21 (en caso de holgura cero) están dobladas sólo una vez hacia arriba (o abajo), se pierde considerablemente el ancho adicional de la banda de estanqueidad 20 y, por tanto, también la habilidad de agarrar una mayor holgura máxima X sin problemas, aunque la banda de estanqueidad 20 puede emplearse incluso como una banda (estandarizada) convencional de estanqueidad del ancho S.
En el ejemplo de ejecución conforme a la Fig. 3(b), las lengüetas 21 se disponen distribuidas sobre ambas caras longitudinales de la banda de estanqueidad 20. Además, en cada caso se prevé un par de lengüetas 21 opuestas por los extremos de la banda de estanqueidad 20 y un par en el centro. Esta distribución simétrica se encarga de que el ancho incrementado sea efectivo con sólo pocas lengüetas a lo largo de la longitud total de la banda de estanqueidad 20. Resulta también concebible, prever más o menos lengüetas, o disponer las lengüetas 21 sólo por una cara de la banda de estanqueidad o de manera alternante por ambas caras. Las lengüetas 21, conformadas en la banda de estanqueidad 20 y que presentan el mismo grosor b que la banda de estanqueidad 20 (Fig. 7), son especialmente simples de fabricar. Se pueden producir mediante un dimensionado apropiado del contorno del borde de la banda de estanqueidad 20. Resulta también concebible colocar las lengüetas 21 como elementos independientes en la banda de estanqueidad 20, para poder optimizarlas independientemente de la banda de estanqueidad 20. Resulta asimismo concebible emplear, en vez de las lengüetas 21, otros elementos, que se extiendan lateralmente más allá de la banda de
estanqueidad 20.
Resulta además concebible, conforme a la Fig. 7(b), emplear bandas de estanqueidad 20 con lengüetas 21, que se curvan ya hacia fuera del plano de la banda de estanqueidad 20 un ángulo \beta hacia una cara. Estas bandas de estanqueidad con lengüetas curvadas previamente presentan la ventaja de que el procedimiento de flexión se efectúa de manera ordenada en el caso de la Fig. 5(a) (holgura 0). Una banda de estanqueidad 20 previamente curvada de este tipo puede emplearse también con ventaja en un sistema de estanqueidad, tal y como se representa en la
Fig. 6(b) y (c). En estos sistemas de estanqueidad se prevén, en vez de las ranuras 16, 17 con paredes perpendiculares a la abertura 18 y el ancho a ranuras 16a, 17a y/o 16b, 17b, cuyas paredes se orientan bajo un ángulo a, por una cara o por ambas caras, diagonalmente a la abertura 18, de tal manera, que las ranuras 16a, 17a y/o 16b, 17b presenten un perfil en V de la sección transversal. Como resultado de las lengüetas 21 curvadas previamente se origina aquí una posición mejorada de la banda de estanqueidad 20 en las ranuras.
Resulta también concebible, emplear bandas de estanqueidad 20a, 20b conforme a las Fig. 8(b) y (c), curvadas por los extremos, en vez de las bandas planas de estanqueidad 20 de la Fig. 8(a). Para la incorporación de estas bandas de estanqueidad 20a, 20b curvadas tienen que preverse ranuras 16c, 17c y/o 16d, 17d curvadas correspondiente-
mente.
Una modificación ulterior, mostrada en la Fig. 8(c) mediante una banda de estanqueidad 20b flexionada por los extremos, aunque también puede emplearse en el caso de bandas de estanqueidad planas, consiste en prever en las ranuras 16d, 17d bolsas 22, 23 con una profundidad adicional T1 para la incorporación de las lengüetas 21. De este modo se evita un doblado de las lengüetas 21 en caso de holgura 0, sin que se pierda el aumento de la holgura máxima X condicionado por las lengüetas 21. Esta ventaja se paga, sin duda, con una producción más compleja de las ranuras 16d, 17d.
Lista de símbolos de referencia
10
segmento de álabe directriz
10a, b
segmento de álabe directriz
11
perfil del álabe
12
segmento externo de banda de cubierta
13
segmento interno de banda de cubierta
14
sello externo de la banda de cubierta
15
sello interno de la banda de cubierta
16, 17
ranura
16a, 17a
ranura
16b, 17b
ranura
16c, 17c
ranura
16d, 17d
ranura
18
abertura
19, 20
banda de estanqueidad
20a, b
banda de estanqueidad
21
lengüeta
22, 23
bolsa
24, 25
cara frontal
26
eje longitudinal
a
ancho (ranura)
b
grosor (banda de estanqueidad)
S
ancho de base (banda de estanqueidad)
S1, 2
ancho (lengüetas)
T
profundidad (ranura)
T1, 2
profundidad (bolsas)
X
ancho máx. (abertura)
\alpha, \beta
ángulo.

Claims (15)

1. Sistema de estanqueidad, particularmente para los segmentos de álabe de turbinas de gas, en el que dos cuerpos (10a, 10b) limitan mutuamente con dos caras frontales (24, 25) extendidas a lo largo de un eje longitudinal (26), formando una abertura (18), cuyo ancho puede variar entre cero y un ancho máximo (X), y en el que la abertura (18) está cubierta por una banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) situada transversalmente a la abertura (18), extendida a lo largo del eje longitudinal (26), que está montada con holgura en dos ranuras opuestas (16, 17; 16a, 17a; . . . .; 16d, 17d) de una profundidad (T) predeterminada, insertadas transversalmente a la abertura (18) en las caras frontales (24, 25) del cuerpo (10a, 10b), presentando la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) un ancho de base (S) transversal al eje longitudinal (26), que sea menor o igual al doble de la profundidad de las ranuras (16, 17; 16a, 17a; . . . .; 16d, 17d), caracterizado porque la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) presenta medios adicionales (21), que evitan un deslizamiento de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) de las ranuras (16, 17; 16a, 17a; . . . .; 16d, 17d), cuando la suma del ancho máximo (X) de la abertura (18) y de la profundidad (T) de las ranuras (16, 17; 16a, 17a; . . . .; 16d, 17d) sea mayor o igual que el ancho de base (S) de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).
2. Sistema de estanqueidad acorde a la Reivindicación 1, caracterizado porque los medios adicionales comprenden lengüetas (21) dispuestas distribuidas por las caras longitudinales de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b), limitadas en la dirección del eje longitudinal (26), que aumentan localmente el ancho de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) un ancho adicional predeterminado (S1, S2) más allá del ancho de base (S).
3. Sistema de estanqueidad acorde a la Reivindicación 2, caracterizado porque por una cara longitudinal de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) se disponen al menos dos lengüetas (21) distribuidas a lo largo de la cara longitudinal.
4. Sistema de estanqueidad acorde a la Reivindicación 3, caracterizado porque por los extremos de la cara longitudinal se disponen al menos dos lengüetas (21).
5. Sistema de estanqueidad acorde a la Reivindicación 4, caracterizado porque en el centro entre al menos dos lengüetas (21) se dispone al menos una lengüeta adicional (21).
6. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque, las lengüetas (21) se disponen en parejas mutuamente opuestas por ambas caras longitudinales de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).
7. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 2 a 6, caracterizado porque las lengüetas (21) se forman en la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b) y presentan el mismo grosor que la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).
8. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque las lengüetas (21) se encuentran, en el estado inicial, en el plano de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).
9. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 2 a 7, caracterizado porque las lengüetas (21) se flexionan, en el estado inicial, hacia fuera del plano de la banda de estanqueidad (20, 20a, 20b).
10. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 2 a 9, caracterizado porque para la incorporación de las lengüetas (21) en las correspondientes posiciones de las ranuras (16d, 17d) se configuran bolsas (22, 23) más profundas.
11. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las paredes de las ranuras (16, 17) se orientan perpendicularmente a la abertura (18).
12. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las paredes de las ranuras (16a, 17a; 16b, 17b) se orientan diagonalmente a la abertura (18) por una cara o por ambas caras, de tal manera, que las ranuras (16a, 17a; 16b, 17b) presenten un perfil en V de la sección transversal.
13. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las ranuras (16, 17) y la banda de estanqueidad (20) están configuradas de forma plana.
14. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque las ranuras (16a, 17a; 16b, 17b) y la banda de estanqueidad (20a, 20b) están configuradas de forma curva.
15. Sistema de estanqueidad según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque los cuerpos son segmentos de álabes directrices (10, 10a, 10b) y/o segmentos de álabes móviles de una turbina de gas.
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