ES2294281T3 - Conducto de transicion refrigerado por emision con orificios de refrigeracion de una forma. - Google Patents
Conducto de transicion refrigerado por emision con orificios de refrigeracion de una forma. Download PDFInfo
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Abstract
Un conducto de transición (40) refrigerado por efusión para transferir gases calientes desde una cámara de combustión a una turbina, que comprende: un conjunto de paneles (45) que comprende: un primer panel (46) formado de una única chapa de metal; un segundo panel (47) formado de una única chapa de metal; estando dicho primer panel (46) fijado a dicho segundo panel (47) por medios tales como soldadura, formando de esta manera el conducto de transición (40) que tiene una pared interior (48), una pared exterior (49), un espesor entre dichas paredes, un extremo de entrada (50) generalmente cilíndrico, y un extremo de salida (51) generalmente rectangular, definiendo dicho extremo de entrada (50) un primer plano, definiendo dicho extremo de salida (51) un segundo plano, estando dicho primer plano orientado en ángulo con dicho segundo plano; una manga de entrada (41) generalmente cilíndrica que tiene un diámetro interior (53) y un diámetro exterior (54), estando dicha manga de entrada (41) fijada a dicho extremo de entrada de dicho conjunto de paneles; un marco (42) de extremo trasero generalmente rectangular, estando fijado dicho marco (42) a dicho extremo de salida de dicho conjunto de paneles; y, una pluralidad de orificios de refrigeración (70) de dicho conjunto de paneles (45), teniendo cada uno de dichos orificios de refrigeración (70) una línea central CL y estando separados por una distancia P de un orificio de refrigeración adyacente en las direcciones axial y transversal, extendiéndose dichos orificios de refrigeración (70) desde dicha pared exterior (49) hasta dicha pared interior (48), siendo perforado cada uno de dichos orificios de refrigeración (70) según un ángulo superficial beta agudo con relación a dicha pared exterior (49) y según un ángulo transversal gamma, teniendo cada uno de dichos orificios de refrigeración (60) un primer diámetro D1 y un segundo diámetro D2, estando dichos diámetros medidos perpendicularmente a dicha línea central CL de dicho orificio de refrigeración donde dicho orificio de refrigeración intersecta dicha pared exterior (49) y dicha pared interior (48), y dicho segundo diámetro D2 es mayor que dicho primer diámetro D1, de modo que dicho orificio de refrigeración es de forma generalmente cónica.
Description
Conducto de transición refrigerado por emisión
con orificios de refrigeración de una forma.
El invento se aplica a la sección de cámara de
combustión de motores de turbina de gas usados en plantas de
potencia para generar electricidad. Más específicamente, este
invento se refiere a la estructura que transfiere gases de
combustión calientes desde una cámara de combustión anular de avión
a la entrada de una turbina.
Una publicación previa, la US 4719748, describe
un conducto de transición de un motor de turbina de gas enfriado
por flujos incidentes formados por aberturas en una manga a una
distancia de la superficie a ser enfriada. La distancia entre la
manga incidente y el conducto aumenta hacia la cámara de combustión
del motor y es máxima en la intersección de la cámara de combustión
y el conducto de transición.
Otra publicación anterior, la US 3527543, define
un miembro estructural que tiene una cámara para tratar un
refrigerante que fluye hacia la superficie exterior del miembro.
En una cámara de combustión anular de turbina de
gas de avión típica, hay dispuesta una pluralidad de cámaras de
combustión en una disposición anular alrededor del motor. Los gases
calientes que salen de las cámaras de combustión son utilizados
para hacer que gire la turbina, la cual está acoplada a un eje que
acciona un generador para generar electricidad. Los gases calientes
son transferidos desde la cámara de combustión a la turbina por un
conducto de transición. Debido a la posición de las cámaras de
combustión con relación a la entrada de la turbina, el conducto de
transición debe cambiar la forma en sección transversal desde una
forma generalmente cilíndrica a la salida de la cámara de
combustión, a una forma generalmente rectangular a la entrada de la
turbina, así como cambiar la posición radial, ya que las cámaras de
combustión están típicamente montadas de manera radial fuera de
la
turbina.
turbina.
La combinación de cambios de geometría
complejos, así como las temperaturas excesivas que se desarrollan en
el conducto de transición, crean un medio ambiente operativo duro
que puede dar lugar a la reparación y sustitución prematuras de los
conductos de transición. Para soportar las temperaturas elevadas de
los gases de la cámara de combustión, de manera típica, se enfrían
los conductos de transición, usualmente mediante aire, ya sea
mediante canales de refrigeración o mediante refrigeración
incidente. Han aparecido grietas catastróficas en conductos de
transición refrigerados interiormente por aire, con cambios de
geometría excesivos que operan en este ambiente de temperatura
elevada. Por medio de análisis extensivos, este agrietamiento puede
ser atribuido a una variedad de factores. Específicamente, se han
descubierto esfuerzos continuos elevados en la zona de alrededor
del extremo trasero del conducto de transición donde se realizan
cambios fuertes de geometría. Adicionalmente, se han encontrado
concentraciones de esfuerzos que pueden ser atribuidas a esquinas
agudas donde orificios de refrigeración intersectan los canales de
refrigeración interna del conducto de transición. Complicando
todavía más las condiciones de grandes esfuerzos están las
diferencias de temperaturas extremas entre componentes del conducto
de transición.
El invento presente se propone superar los
inconvenientes mencionados de la técnica anterior y será descrito a
continuación haciendo referencia particular a los dibujos que se
acompañan.
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un
conducto de transición de técnica anterior.
La Figura 2 es una vista de un corte transversal
de un conducto de transición de técnica anterior.
La Figura 3 es una vista en perspectiva de una
porción de la disposición de refrigeración del conducto de
transición de técnica anterior.
La Figura 4 es una vista en perspectiva de un
conducto de transición.
La Figura 5 es una vista de un corte transversal
del conducto de transición.
La Figura 6 es una vista en perspectiva de una
porción de la disposición de refrigeración del conducto de
transición.
La Figura 7 es una vista de un corte transversal
de una realización del invento presente describiendo un tipo de
orificios de refrigeración de un conducto de transición.
La Figura 8 es una vista desde arriba de una
porción de una realización alternativa del invento presente
describiendo un tipo alternativo de orificios de refrigeración de
un conducto de transición.
La Figura 9 es una vista en sección tomada a
través de la porción de una realización alternativa del invento
presente mostrado en la Figura 8, describiendo un tipo alternativo
de orificios de refrigeración de un conducto de transición.
Con referencia a la Figura 1, se muestra una
vista en perspectiva de un conducto de transición de la técnica
anterior. El conducto de transición incluye una brida de entrada 11
generalmente cilíndrica y un marco de salida 12 generalmente
rectangular. La cámara de combustión anular de avión (no mostrada)
se aplica al conducto de transición 10 en la brida de entrada 11.
Los gases calientes de la combustión pasan a través del conducto de
transición 10 y a través del marco de salida 12 y entran en la
turbina (no mostrada). El conducto de transición 10 está montado en
el motor por medio de medios de montaje 13 delanteros, fijados a la
superficie exterior de la brida de entrada 11 y montados en la
turbina por medio de medios de montaje 14 traseros, que están
fijados al marco de salida 12. Un conjunto de paneles 15, conecta la
brida de entrada11 al marco de salida 12 y proporciona el cambio de
la forma geométrica del conducto de transición 10. En la Figura 2 se
muestra con mayor detalle este cambio de forma geométrica.
El conjunto de paneles 15, que se extiende entre
la brida de entrada 11 y el marco de salida 12 e incluye un primer
panel 17 y un segundo panel 18, se estrecha partiendo de una forma
generalmente cilíndrica en la brida de entrada 11 hasta una forma
generalmente rectangular del marco de salida 12. La mayor parte de
este estrechamiento ocurre hacia el extremo trasero del conjunto de
paneles 15, cerca del marco de salida 12 en una zona de curvatura
16. Esta zona de curvatura incluye dos radios de curvatura, 16A en
el primer panel 17 y 16B en el segundo panel 18. Los paneles 17 y
18 consisten cada uno en una pluralidad de capas de hojas de metal
apretadas juntas para formar canales entre las capas de metal. El
aire pasa a través de esos canales para refrigerar el conducto de
transición 10 y mantener las temperaturas del metal del conjunto de
paneles 15 dentro de un margen aceptable. En la Figura 3 se muestra
con detalle esta configuración de refrigeración.
En la Figura 3 se muestra en detalle una vista
de un corte del conjunto de paneles 15 con detalles de la
disposición de refrigeración de canales. El canal 30 está formado
entre las capas 17A y 17B del panel 17 dentro del conjunto de
paneles 15. El aire de refrigeración entra en el conducto 10 a
través del orificio de entrada 31, pasa a través del canal 30,
refrigerando de esta manera la capa 17A del panel, y sale al camino
del gas 19 del conducto a través del orificio de salida 32. Este
método de refrigeración proporciona una refrigeración adecuada en
zonas locales, pero tiene inconvenientes por sus dificultades de
fabricación y por su costo, y se ha descubierto que contribuye al
agrietamiento de conductos cuando se combina con la geometría y
condiciones de operación de la técnica anterior.
Más adelante se describe, y se muestra en las
Figuras 4 - 6, un conducto de transición que incorpora refrigeración
por efusión y cambios en la geometría, como una indicación de los
antecedentes del invento presente. Esto se proporciona para
comprender mejor la función y funcionamiento del invento presente,
descrito en las Figuras 7 - 9.
Un conducto de transición 40 mejorado incluye
una brida de entrada 41 generalmente cilíndrica, un marco 42 de
extremo trasero generalmente rectangular, y un conjunto de paneles
45. El conjunto de paneles 45 incluye un primer panel 46 y un
segundo panel 47, cada uno realizado a partir de una lámina única de
metal de al menos 0,003175 m de espesor. Típicamente, el conjunto
de paneles, brida de entrada, y marco trasero se construyen de una
superaleación a base de níquel, tal como Inconnel 625. El panel 46
está fijado al panel 47 por medios tales como soldadura, formando
un conducto que tiene una pared interior 48, una pared exterior 49,
un extremo de entrada 50 generalmente cilíndrico, y un extremo de
salida 51 generalmente rectangular. La brida de entrada 41 está
fijada al conjunto de paneles 45 en el extremo de entrada 50
cilíndrico, mientras que el marco 42 de extremo trasero está fijado
al conjunto de paneles 45 en el extremo de salida 51
rectangular.
El conducto de transición 40 incluye una región
de curvatura 52 en la que el conducto generalmente cilíndrico se
estrecha en la forma generalmente rectangular. Un primer radio de
curvatura 52A, situado a lo largo del primer panel 46, tiene al
menos 0,254 m, mientras que un segundo radio de curvatura 52B,
situado a lo largo del segundo panel 47, tiene al menos 0,0762 m.
Esta región es de curvatura mayor que la de la técnica anterior y
sirve para proporcionar una curvatura más gradual del conjunto de
paneles 45 hacia el marco 42 de extremo. Una curvatura más gradual
permite que los esfuerzos de operación se repartan por todo el
conjunto de paneles y no se concentren en una sección. Como
resultado, los esfuerzos operacionales son menores en el conducto
de transición 40.
El conducto de transición 40 mejorado utiliza un
esquema de refrigeración del tipo de efusión que consiste en una
pluralidad de orificios de refrigeración 60 que se extienden desde
la pared exterior 49 a la pared interior 48 del conjunto de paneles
45. Los orificios de refrigeración 60 son perforados con un diámetro
D en un sentido de aguas abajo hacia el marco 42 de extremo
trasero, con los orificios en ángulo agudo \beta con relación a
la pared exterior 49. Los orificios de refrigeración inclinados
proporcionan un aumento del rendimiento de la refrigeración para
una cantidad dada de aire debido a la longitud adicional del
orificio y, por tanto, se refrigera un material adicional. Para
proporcionar una pauta de refrigeración uniforme, la separación de
los orificios de refrigeración es función del diámetro del orificio,
de modo que haya una distancia mayor entre orificios cuando aumente
el tamaño del orificio, para un espesor dado de material.
Los esquemas de refrigeración aceptables del
invento presente pueden variar de acuerdo con las condiciones de
operación, pero un esquema así incluye orificios de refrigeración 60
con diámetro D de al menos 0,001016 m, con un ángulo máximo \beta
de 30 grados respecto a la pared exterior 49, con una separación P
entre orificios en las direcciones axial y transversal de acuerdo
con la relación P \leq (15 X D). Dicha separación de orificios
produce una cobertura del área superficial de orificios de
refrigeración de al menos 20%.
\newpage
Utilizando este esquema de refrigeración del
tipo de efusión se elimina la necesidad de capas múltiples de chapa
metálica con canales de refrigeración internos y orificios que
pueden ser complejos y costosos de fabricar. Además, la
refrigeración del tipo de efusión proporciona una pauta de
refrigeración más uniforme en todo el conducto de transición. Este
esquema de refrigeración mejorado, en combinación con la curvatura
geométrica más gradual descrita, reduce los esfuerzos de operación
en el conducto de transición y produce un componente de mayor
fiabilidad que requiere ser sustituido con menor frecuencia.
En una realización alternativa del invento
presente, se describe un conducto de transición que contiene una
pluralidad de orificios de refrigeración que se estrechan. Se ha
descubierto que aumentando el diámetro del orificio hacia la zona
de salida del orificio de refrigeración, que está cerca de los gases
de combustión calientes de un conducto de transición, se reduce la
velocidad de salida del fluido y la expulsión potencial de la
película. En un conducto de transición refrigerado por efusión, el
fluido de refrigeración no sólo enfría la pared del conjunto de
paneles cuando pasa a través del orificio, sino que además el
orificio está inclinado para extender una película de fluido de
refrigeración a lo largo de la superficie de la pared interior del
conjunto de paneles que proporcione refrigeración a la superficie
entre hileras de orificios de refrigeración. La expulsión de la
película ocurre cuando la velocidad de un fluido de refrigeración
que sale de un orificio de refrigeración es lo suficientemente
elevada para penetrar dentro del flujo principal de los gases de
combustión calientes. Como resultado, el fluido de refrigeración se
mezcla con los gases de combustión calientes en lugar de permanecer
como una capa de película de refrigeración a lo largo de la pared
interior del conjunto de paneles para refrigerar activamente la
pared interior entre hileras de orificios de refrigeración.
Aumentando el diámetro de salida de un orificio de refrigeración,
se aumenta el área de la sección transversal del orificio de
refrigeración en el plano de salida y, para una cantidad dada de
fluido de refrigeración, la velocidad de salida disminuye en
comparación con la velocidad de entrada. En consecuencia, se reduce
la penetración del fluido de refrigeración dentro del flujo de
gases de combustión calientes y el fluido de refrigeración tiende a
permanecer a lo largo de la pared interior del conjunto de paneles
del conducto de transición, proporcionando de esta manera una
película de fluido de refrigeración mejorada, lo que da lugar a un
diseño de refrigeración más eficiente para un conducto de
transición.
Haciendo referencia ahora a las Figuras 7 - 9,
se muestra en detalle una realización del invento presente que
incorpora orificios de refrigeración conformados. Las
características de la realización alternativa del invento presente
son idénticas a las mostradas en las Figuras 3 - 6, con la excepción
de los orificios de refrigeración usados en el diseño de
refrigeración por efusión. El conducto de transición 40 incluye un
conjunto de paneles 45 formado del primer panel 46 y segundo panel
47, fabricados cada uno a partir de una chapa de metal única, y
estando fijados entre sí por medios tales como soldadura a lo largo
de juntas axiales 57 para formar el conjunto de paneles 45. Como
resultado, el conjunto de paneles 45 contiene una pared interior 48
y una pared exterior 49 y un espesor entre ellas. Al igual que con
la realización preferida, la realización alternativa contiene un
extremo de entrada 50 generalmente cilíndrico y un extremo de salida
51 generalmente rectangular, definiendo el extremo de entrada 50 un
primer plano 55, y definiendo el extremo de salida 51 un segundo
plano 56, con el primer plano 55 en ángulo con el segundo plano 56.
Fijada al extremo de entrada 50 del conjunto de paneles 45 hay una
manga de entrada 41 generalmente cilíndrica que tiene un diámetro
interior 53 y un diámetro exterior 54, mientras que fijado al
extremo de salida 51 del conjunto de paneles 45 hay un marco 42 de
extremo trasero generalmente rectangular. Se prefiere que el
conjunto de paneles 45, la manga de entrada 41, y el marco 42 de
extremo trasero sean fabricados a partir de una superaleación con
base de níquel, tal como Inconnel 625, y teniendo el conjunto de
paneles 45 un espesor de al menos 0,003175 m.
En la realización alternativa del invento
presente, el conducto de transición 40 contiene una pluralidad de
orificios de refrigeración 70 situados en el conjunto de paneles 45,
con orificios de refrigeración 70 tanto en el primer panel 46 como
en el segundo panel 47. Cada uno de los orificios de refrigeración
70 está separado de un orificio de refrigeración adyacente en las
direcciones axial y transversal por una distancia P, como se
muestra en la Figura 8, siendo la dirección axial sustancialmente
paralela al flujo de los gases a través del conducto de transición
40 y siendo la dirección transversal generalmente perpendicular a la
dirección axial. Los orificios de refrigeración 70 están separados
en todo el conjunto de paneles 45 de tal manera que proporcionan
una refrigeración uniforme al conjunto de paneles 45. Se ha
determinado que para esta configuración, la distancia más efectiva
P entre los orificios de refrigeración 70 es al menos 0,00508 m con
una distancia máxima P de 0,0508 m en la dirección axial y 0,01016 m
en la dirección transversal.
Haciendo ahora referencia a la Figura 9, los
orificios de refrigeración 70 se extienden desde la pared exterior
49 hasta la pared interior 48 del conjunto de paneles 45, con todos
los orificios de refrigeración 70 perforados según un ángulo
superficial agudo \beta con relación a la pared exterior 49. Los
orificios de refrigeración 70 son perforados en el conjunto de
paneles 45 desde la pared exterior 49 hacia la pared interior 48, de
tal manera que, en operación, el fluido de refrigeración fluye
hacia el extremo posterior del conducto de transición 40. Además,
los orificios de refrigeración 70 están perforados también según un
ángulo transversal \gamma, como se muestra en la Figura 8,
midiéndose \gamma respecto a la dirección axial, que es
generalmente paralela al flujo de los gases de combustión
calientes. Típicamente, el ángulo superficial agudo \beta varía
entre 15 grados y 30 grados, medido desde la pared exterior 49,
mientras que el ángulo transversal \gamma mide entre 30 grados y
45 grados.
Una característica adicional de los orificios de
refrigeración 70 es la forma del orificio de refrigeración.
Haciendo referencia de nuevo a la Figura 9, los orificios de
refrigeración 70 tienen un primer diámetro D1 y un segundo diámetro
D2, midiéndose ambos diámetros D1 y D2 perpendicularmente a la línea
central CL del orificio de refrigeración 70 donde el orificio de
refrigeración 70 intersecta la pared exterior 49 y la pared
interior 48. Los orificios de refrigeración 70 tienen un tamaño tal
que el segundo diámetro D2 es mayor que el primer diámetro D1,
dando lugar de esta manera a una forma generalmente cónica. Se
prefiere que los orificios de refrigeración 70 tengan un primer
diámetro D1 de al menos 0,000635 m, mientras que un segundo diámetro
D2 tiene al menos 0,001143 m. Utilizar un orificio generalmente
cónico da lugar a una velocidad reducida del fluido de
refrigeración en el segundo diámetro D2 en comparación con la
velocidad del fluido en el primer diámetro D1. Una reducción en la
velocidad del fluido dentro del orificio de refrigeración 70 permite
que el fluido de refrigeración permanezca como una película a lo
largo de la pared interior 48 cuando sale del orificio de
refrigeración 70. Este rendimiento mejorado de la película produce
una transferencia general de calor y una duración del conducto de
transición mejoradas.
Aunque el invento ha sido descrito aquí como la
realización actualmente preferida, debe entenderse que el invento
no debe estar limitado a la realización explicada, sino que, por el
contrario, se propone abarcar varias modificaciones y disposiciones
equivalentes dentro del alcance de las siguientes
reivindicaciones.
Claims (9)
1. Un conducto de transición (40) refrigerado
por efusión para transferir gases calientes desde una cámara de
combustión a una turbina, que comprende:
un conjunto de paneles (45) que comprende:
- un primer panel (46) formado de una única chapa de metal;
- un segundo panel (47) formado de una única chapa de metal;
- estando dicho primer panel (46) fijado a dicho segundo panel (47) por medios tales como soldadura, formando de esta manera el conducto de transición (40) que tiene una pared interior (48), una pared exterior (49), un espesor entre dichas paredes, un extremo de entrada (50) generalmente cilíndrico, y un extremo de salida (51) generalmente rectangular, definiendo dicho extremo de entrada (50) un primer plano, definiendo dicho extremo de salida (51) un segundo plano, estando dicho primer plano orientado en ángulo con dicho segundo plano;
una manga de entrada (41) generalmente
cilíndrica que tiene un diámetro interior (53) y un diámetro
exterior (54), estando dicha manga de entrada (41) fijada a dicho
extremo de entrada de dicho conjunto de paneles;
un marco (42) de extremo trasero generalmente
rectangular, estando fijado dicho marco (42) a dicho extremo de
salida de dicho conjunto de paneles; y,
una pluralidad de orificios de refrigeración
(70) de dicho conjunto de paneles (45), teniendo cada uno de dichos
orificios de refrigeración (70) una línea central CL y estando
separados por una distancia P de un orificio de refrigeración
adyacente en las direcciones axial y transversal, extendiéndose
dichos orificios de refrigeración (70) desde dicha pared exterior
(49) hasta dicha pared interior (48), siendo perforado cada uno de
dichos orificios de refrigeración (70) según un ángulo superficial
\beta agudo con relación a dicha pared exterior (49) y según un
ángulo transversal \gamma, teniendo cada uno de dichos orificios
de refrigeración (60) un primer diámetro D1 y un segundo diámetro
D2, estando dichos diámetros medidos perpendicularmente a dicha
línea central CL de dicho orificio de refrigeración donde dicho
orificio de refrigeración intersecta dicha pared exterior (49) y
dicha pared interior (48), y dicho segundo diámetro D2 es mayor que
dicho primer diámetro D1, de modo que dicho orificio de
refrigeración es de forma generalmente cónica.
2. El conducto de transición de la
reivindicación 1, en el que dicho ángulo superficial \beta agudo
varía entre 15 y 30 grados desde dicha pared exterior (49).
3. El conducto de transición de la
reivindicación 1 ó 2, en el que dicho ángulo transversal \gamma
varía entre 30 y 45 grados.
4. El conducto de transición de la
reivindicación 1, 2, ó 3, en el que dicho primer diámetro D1 es al
menos 0,000635 m.
5. El conducto de transición de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que dicho segundo diámetro
D2 es al menos 0,001143 m.
6. El conducto de transición de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que dichos orificios de
refrigeración (70) son perforados en una dirección desde dicha
pared exterior (49) hacia dicha pared interior (48) y estando
inclinados en una dirección hacia dicho marco (42) de extremo
trasero.
7. El conducto de transición de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que la distancia P en las
direcciones axial y transversal entre los orificios de
refrigeración (70) adyacentes más cercanos es al menos 0,00508
m.
8. El conducto de transición de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que dicho conjunto de
paneles (45), manga de entrada (41), y marco (42) de extremo
trasero son fabricados a partir de una superaleación de base de
níquel, tal como Inconnel 625.
9. El conducto de transición de cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, en el que dicho espesor es al
menos 0,003175 m.
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