ES2297354T3 - Alabe hueco de rotor para la etapa de turbina de una turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Álabe (10) hueco de rotor para la turbina de un motor de turbina de gas que comprende un canal (24) de refrigeración interno, una cavidad (30) abierta situada en el extremo (14) libre del álabe (10) y delimitada por una pared (26) de fondo que se extiende sobre todo el extremo (14) del álabe y una pestaña (28) que se extiende entre el borde (20) de ataque y el borde (22) de salida a lo largo de la pared (18) del extradós y de la pared (16) del intradós, y canales (32) de refrigeración que unen el citado canal (24) de refrigeración interna y la cara exterior de la pared (16) del intradós, estando los citados canales (32) de refrigeración inclinados con respecto a la pared (16) del intradós de tal manera que desembocan en la cara exterior de la pared (16) del intradós en dirección a la cara (28a) superior de la citada pestaña, formando la citada pestaña (28) una pared delgada y caracterizado porque existe un refuerzo (34) de material entre la pestaña (28) y la pared (26) de fondo de la cavidad (30) a lo largo de al menos una parte de la pared (16) del intradós, siendo la cara (34a) del citado refuerzo (34) orientada en dirección a la cavidad (30) sensiblemente plana, por lo cual la citada pestaña (28) está ensanchada en su base de forma contigua a la citada pared (26) de fondo de manera que los canales (32) de refrigeración desembocan cerca de la cara (28a) superior de la pestaña (28) sin reducir la resistencia mecánica del extremo (14) del álabe (10).
Description
Álabe hueco de rotor para la etapa de turbina de
una turbina de gas.
El invento se refiere a un álabe hueco de rotor
para la turbina de un motor de turbina de gas, en concreto para una
turbina del tipo de alta presión.
Más concretamente, el presente invento se
refiere a la realización de un álabe hueco del tipo que comprende
un canal de refrigeración interno, una cavidad abierta situada en el
extremo libre del álabe y delimitada por una pared de fondo que se
extiende sobre todo el extremo del álabe y una pestaña que se
extiende entre el borde de ataque y el borde de salida a lo largo
de la pared del extradós y de la pared del intradós, y canales de
refrigeración que unen el citado canal de refrigeración interno y la
cara exterior de la pared del intradós, estando dichos canales de
refrigeración inclinados con respecto a la pared del intradós de tal
manera que desembocan, al nivel de su salida, en la cara exterior
de la pared del intradós en dirección a la cara superior de la
citada pestaña.
Los canales de refrigeración de este tipo están
destinados a refrigerar el extremo libre del álabe ya que permiten
expulsar un chorro de aire de refrigeración desde el canal de
refrigeración interno, en dirección al extremo del álabe al nivel
del extremo superior de la cara exterior de la pared del intradós.
Este chorro de aire crea el "bombeado térmico", es decir, una
disminución de la temperatura del metal por absorción de calorías
en el interior de la pared metálica, y una película de aire de
refrigeración que protege al extremo de los álabes del lado
intradós.
En efecto, debido a las elevadas velocidades de
trabajo en el extremo de estos álabes y a las temperaturas a las
cuales están sometidos dichos álabes, es necesario refrigerarlos con
el fin de que su temperatura permanezca por debajo de la de los
gases dentro los cuales trabajan.
Es por esta razón que, clásicamente, los álabes
son huecos para permitir su refrigeración por el aire presente en
un canal de refrigeración interno.
Además, es conocido el prever, en el extremo del
álabe, una cavidad abierta, también denominada "bañera": esta
forma del extremo del álabe reduce las superficies a la vista entre
el extremo del álabe y la superficie anular correspondiente de la
carcasa de turbina, con el fin de proteger a los cuerpos del álabe
contra los daños provocados por el contacto eventual con un
segmento anular.
Los documentos US 6.231.307 y EP 0 816 636
presentan un álabe hueco de este tipo provisto además de canales de
refrigeración que unen el canal de refrigeración interno y la cara
exterior de la pestaña de la cavidad al nivel de la pared del
intradós.
Estos canales de refrigeración situados cerca de
la pared del intradós permiten así la salida, desde el canal de
refrigeración interno, de un chorro de aire más frío que el que
rodea a la pared del intradós, formando este chorro de aire una
película de aire de refrigeración situada sobre la cara exterior de
la pared del intradós y que es aspirada en dirección a la pared del
extradós.
En el documento US 6.231.307, estos canales de
refrigeración inclinados unen el canal de refrigeración interno y
la cara exterior de la pestaña de la cavidad al nivel de la pared
del intradós al estar dispuestos (ver la figura 2 de este
documento) de tal manera que atraviesan la pared de fondo de la
cavidad y la pestaña de la cavidad al nivel de la pared del
intradós, pasando por la citada cavidad.
Esta solución requiere por tanto un espesor de
material importante, ya sea para la pared de fondo de la cavidad o
para la pestaña de la cavidad, con el fin de no perjudicar las
prestaciones de resistencia termomecánica en la punta del álabe.
Además, esta solución limita enormemente el flujo de aire de
refrigeración que llega a la cara superior de la pestaña ya que la
mayor parte del flujo sale del canal de refrigeración interno por
el primer tramo de los canales de refrigeración y penetra
directamente en la cavidad sin desembocar en la cara exterior de la
pared del intradós.
La solución del documento EP 0 816 636, que
puede verse en la figura 5 de este documento, consiste en disponer
estos canales de refrigeración de forma que atraviesen la pared del
intradós desembocando en la cara exterior de dicha pared del
intradós al nivel de la base de la pestaña de la cavidad.
En este caso, esta solución también requiere un
espesor importante de material, tanto para la pared de fondo de la
cavidad como para la pestaña de la cavidad, con el fin de no poner
en peligro las prestaciones de resistencia termomecánica de la punta
del álabe.
Sin embargo, teniendo en cuenta las temperaturas
de funcionamiento cada vez más altas de las turbinas, estas
soluciones no permiten actualmente la fabricación de un álabe hueco
cuya refrigeración en el extremo sea suficiente.
En efecto, para mantener una resistencia
termomecánica suficiente alrededor de los canales de refrigeración,
el recurrir a espesores importantes de pared conlleva un aumento de
peso muy importante de la rueda móvil (o de las ruedas móviles) de
la turbina. En consecuencia, dado que cuanto más importantes son los
espesores de material, más aumenta la temperatura debido a una
refrigeración menos rápida, estos espesores importantes de material
no permiten conseguir una refrigeración suficiente en el extremo del
álabe para permitir un funcionamiento de la turbina a las
temperaturas más altas deseadas.
Es necesario destacar que si la refrigeración es
insuficiente en el extremo del álabe, se pueden producir quemaduras
locales que pueden provocar pérdidas de metal que aumenten los
juegos, lo cual perjudica al rendimiento aerodinámico de la
turbina. Asimismo, cuando la pestaña de la cavidad ve que su
temperatura aumenta demasiado, se advierten riesgos de quemaduras
con degradación de la pared metálica.
El presente invento intenta resolver los
problemas expuestos anteriormente.
En consecuencia, el presente invento tiene por
objetivo proporcionar un álabe hueco de rotor para la turbina de un
motor de turbina de gas, del tipo mencionado anteriormente, que
permita refrigerar el extremo del álabe de manera suficiente con el
fin de mejorar su fiabilidad sin reducir las prestaciones
aerodinámicas y termomecánicas de dicho álabe.
Con este fin, de acuerdo con el presente
invento, el álabe está definido por la reivindicación 1.
De esta forma, se comprende que, debido a la
presencia del refuerzo de material, los canales de refrigeración
pueden así desembocar más cerca de la cara superior de la pestaña
sin modificar la distancia entre dichos canales de refrigeración y
la pared de fondo de la cavidad.
En efecto, este refuerzo de material produce un
sobreespesor en la zona del extremo del álabe en la que se unen la
pestaña y la pared de fondo, cerca del interior de la cavidad.
Asimismo, un refuerzo de este tipo es fácil de
poner en práctica sin modificar el procedimiento de fabricación del
álabe dado que es suficiente con prever en este emplazamiento una
cantidad de metal más importante desde la etapa de fundición,
especialmente durante el diseño del molde correspondiente a esta
zona del álabe.
Esta solución presenta también la ventaja
adicional de no incrementar de forma sensible el peso de la
estructura del álabe.
Globalmente, gracias a la solución de acuerdo
con el presente invento, es posible mejorar la refrigeración
producida en el extremo del álabe, especialmente al nivel de la cara
superior de la pestaña de la pared del intradós, mediante el aire
que sale de los canales de refrigeración sin modificar las
prestaciones termomecánicas y aerodinámicas del álabe.
Preferentemente, la cara del citado refuerzo
orientada en dirección a la cavidad forma, junto con la cara de la
pared de fondo orientada hacia la cavidad, un ángulo (\alpha)
comprendido entre 170º y 100º, preferentemente entre 135º y
110º.
Según una disposición preferente, el citado
ángulo (\alpha) es sensiblemente igual a 112º.
Una disposición de este tipo permite optimizar
el fenómeno de bombeo térmico y aumentar la refrigeración de la
pared vertical de la "bañera", es decir, la pestaña de la
cavidad abierta.
Preferentemente, la citada cara del refuerzo
orientada en dirección a la cavidad es casi paralela a la dirección
de los canales de refrigeración.
Esta realización preferente permite obtener el
mejor refuerzo mecánico con el mínimo material al nivel del
refuerzo.
De acuerdo con otra disposición preferente, la
distancia (A) entre la salida de los canales de refrigeración y la
citada cara superior de la pestaña es inferior a la distancia (B)
entre la salida de los canales de refrigeración y la citada cara
del refuerzo orientada en dirección a la cavidad.
Esta disposición permite situar la salida de los
canales de refrigeración lo más cerca posible de la cara superior
de la pestaña, la cual es refrigerada de manera muy eficaz.
De acuerdo con una realización preferente y
ventajosa, la distancia (B) entre la salida de los canales de
refrigeración y la citada cara del refuerzo orientada en dirección a
la citada cavidad es al menos igual y, en concreto, exactamente
igual, a la distancia (C) que separa la intersección (C1), entre la
cara interior de la pestaña al nivel de la pared del extradós y la
cara de la pared de fondo orientada en dirección a la citada
cavidad, de la intersección (C2), entre la cara exterior de la pared
del extradós y la cara de la pared de fondo orientada en dirección
opuesta a la citada cavidad.
De esta manera, en efecto, se realiza en el
emplazamiento del refuerzo, por lo tanto cerca de la pared del
intradós del extremo del álabe, una estructura tan resistente como
la situada en el extremo del álabe cercano a la pared del
extradós.
Otras ventajas y características del invento se
harán evidentes después de la lectura de la siguiente descripción
hecha a título de ejemplo y que hace referencia a los dibujos
adjuntos en los cuales:
- la figura 1 muestra una vista en perspectiva
de un álabe de rotor hueco para turbina de gas convencional,
- la figura 2 muestra en perspectiva, de manera
ampliada, el extremo libre del álabe de la figura 1,
- la figura 3 es una vista análoga a la de la
figura 2, después de que el borde de salida del álabe haya sido
retirado mediante un corte longitudinal,
- la figura 4 es una vista en sección
longitudinal según la dirección IV - IV de la figura 3, y
- la figura 5 es una vista análoga a la de la
figura 4 que muestra las adaptaciones del álabe de acuerdo con el
presente invento.
En la figura 1 se puede ver, en perspectiva, un
ejemplo de un álabe 10 de rotor hueco convencional para una turbina
de gas. El aire de refrigeración (no representado) circula por el
interior del álabe desde la parte inferior del pie 12 del álabe en
la dirección radial (vertical) hacia el extremo 14 libre del álabe
(en la parte superior de la figura 1), escapando a continuación
este aire de refrigeración por una salida para volver a unirse con
el flujo de gases principal.
En concreto, este aire de refrigeración circula
por dentro de un canal de refrigeración interno situado en el
interior del álabe y que desemboca en el extremo 14 libre del álabe
al nivel de los orificios 15 de salida.
El cuerpo del álabe está perfilado de manera que
define una pared 16 del intradós (a la izquierda en todas las
figuras) y una pared 18 del extradós (a la derecha en todas las
figuras). La pared 16 del intradós presenta una forma general
cóncava y se presenta la primera frente al flujo de gases calientes,
es decir, en el lado de alta presión de los gases, mientras que la
pared 18 del extradós es convexa y se presenta más adelante al
flujo de gases calientes, es decir, en el lado de aspiración de los
gases.
Las paredes 16 del intradós y 18 del extradós
confluyen en el emplazamiento del borde 20 de ataque y en el
emplazamiento del borde 22 de salida que se extienden radialmente
entre el extremo 14 libre del álabe y la parte superior del pie 12
del álabe.
Como se desprende de las vistas ampliadas de las
figuras 2 a 5, al nivel del extremo 14 libre del álabe, el canal 24
de refrigeración interno está delimitado por la cara 26a interior de
una pared 26 de fondo que se extiende a lo largo de todo el extremo
14 libre del álabe, entre la pared 16 del intradós y la pared 18 del
extradós, es decir, desde el borde 20 de ataque hasta el borde 22
de salida.
Al nivel del extremo 14 libre del álabe, las
paredes 16 del intradós y 18 del extradós conforman la pestaña 28
de una cavidad 30 abierta en la dirección opuesta al canal 24 de
refrigeración interno, es decir, radialmente hacia el exterior
(hacia la parte superior en todas las figuras).
Como se pone de manifiesto en las figuras, esta
cavidad 30 abierta está delimitada lateralmente por la cara interna
de esta pestaña 28 y en la parte baja por la cara 26b exterior de la
pared 26 de fondo.
La pestaña 28 forma una pared delgada a lo largo
del perfil del álabe que protege el extremo 14 libre del álabe 10
del contacto con la superficie anular correspondiente de la carcasa
de turbina.
Como se puede ver con más claridad en las vistas
en sección de las figuras 4 y 5, unos canales 32 de refrigeración
inclinados atraviesan la pared 16 del intradós para unir el canal 24
de refrigeración interno con la cara exterior de la pared 16 del
intradós.
Estos canales 32 de refrigeración están
inclinados con el fin de que desemboquen en dirección a la cara 28a
superior de la pestaña a fin de refrigerar tanto como sea posible
dicha cara 28a superior, a lo largo de la pared 16 del
intradós.
intradós.
Como se puede ver en las figuras 4 y 5 indicado
mediante las flechas gruesas negras 33, a la salida de los canales
de refrigeración, un chorro de aire se dirige hacia la cara 28a
superior de la pestaña a lo largo de la pared 16 del
intradós.
intradós.
En el caso de los álabes conocidos, tal como se
muestra con más claridad en la figura 4, a fin de mantener una
resistencia termomecánica suficiente en el extremo libre del álabe
14, conviene dejar una distancia B suficiente entre la salida de
los canales 32 de refrigeración (siendo el punto de referencia el
eje de dichos canales) y la intersección (B1) entre la cara
interior de la pestaña 28 al nivel de la pared 16 del intradós y la
cara 26b exterior de la pared 26 de fondo orientada en dirección a
la citada cavidad 30.
Esta situación que es resultado de una necesidad
de construcción mecánica provoca que la distancia A, medida entre
la salida de los canales 32 de refrigeración (siendo el punto de
referencia el eje de dichos canales) y la cara 28a superior de la
pestaña 28 cerca de la pared del intradós, que es muy superior a la
distancia B anteriormente mencionada, no sea suficiente para
refrigerar de manera suficientemente importante la cara 28a
superior.
Con el fin de paliar este inconveniente, de
acuerdo con el presente invento, y tal como se pone de manifiesto
en la figura 5, se prevé un refuerzo 34 de material entre la cara de
la pestaña 28 orientada hacia la cavidad 30, a lo largo de la pared
16 del intradós, y la cara 26b de la pared 26 de fondo orientada
hacia la cavidad 30.
Este refuerzo 34 de material se realiza
ventajosamente de manera que se forme una cara 34a orientada en
dirección a la cavidad 30 que sea casi plana, de forma que la
transición entre la cara 26b exterior de la pared 26 de fondo
orientada hacia la cavidad 30 y la cara interior de la pestaña 28 se
realice de forma progresiva.
Así, como se puede ver en la figura 5, gracias a
este refuerzo 34 de material, la distancia B anteriormente
mencionada que se debe mantener para garantizar la resistencia
termomecánica de la punta del álabe, se convierte en una distancia
B' medida entre la salida de los canales 32 de refrigeración (siendo
el punto de referencia el eje de dichos canales) y la citada cara
34a del refuerzo 34.
Manteniéndose esta distancia B' en el valor de
la distancia B de la figura 4, la presencia del refuerzo 34 permite
que la salida de los canales de refrigeración se acerque de manera
muy importante a la cara 28a superior de la pestaña 28 a lo largo
de la pared 16 del intradós puesto que la distancia A antes
mencionada es ahora inferior a la distancia B' (véase la figura
5).
Este refuerzo 34 se sitúa a lo largo de al menos
una parte de la pared del intradós. Dicho refuerzo 34 puede estar
constituido por una banda continua o por una serie de
protuberancias, siempre que este refuerzo 34 de material esté
presente en cada plano transversal que pasa por un canal 32 de
refrigeración.
En un ejemplo de realización ejecutado conforme
a la figura 5 y para la turbina de alta presión de un motor de tipo
M88, se ha fabricado un álabe 10 en aleación de base níquel de tipo
AM1 (NTa8GKWA) en el que el refuerzo de material proviene
directamente de la etapa de fundición, formando un cordón a lo largo
de toda la pared 16 del intradós. En concreto, las dimensiones de
este ejemplo son las siguientes:
- -
- altura de la pestaña 28 (desde la cara 28a superior hasta la superficie 26b exterior de la pared 26 de fondo): 1 mm;
- -
- espesor de la pestaña 28 y de las paredes 16 del intradós y 18 del extradós: 0,65 mm;
- -
- espesor constante de la pared 26 de fondo: 0,8 mm;
- -
- diámetro de los canales 32 de refrigeración: 0,3 mm (se puede considerar un diámetro comprendido entre 0,25 mm y 0,35 mm);
- -
- distancia A: 1,7 mm;
- -
- distancia B: 1,2 mm.
Poniendo en práctica la solución del presente
invento, mediante la adición del refuerzo 34 de material sobre una
anchura de 0,5 mm medida sobre la superficie 26b superior de la
pared 26 de fondo, se llega a la situación de la figura 5 con la
distancia B = B' = 1,2 mm mientras que la distancia A es ahora igual
a sólo 1 mm.
Este acercamiento de 0,7 mm de la salida de los
canales 32 de refrigeración con respecto a la cara 28a superior
permite ganar 40ºC en la refrigeración obtenida durante el
funcionamiento de la turbina de alta presión.
Asimismo, la cara del citado refuerzo orientada
en dirección a la cavidad es sensiblemente plana y forma, con la
cara de la pared de fondo orientada hacia la cavidad, un ángulo
\alpha igual a 112º.
La pestaña 28 que conforma ventajosamente una
pared delgada, presenta por tanto un espesor pequeño, a saber, de
menos de 1,5 mm, preferiblemente menor de 1 mm y de forma
privilegiada un espesor comprendido entre 0,3 y
0,8 mm.
0,8 mm.
Además, como se desprende de la figura 5 que
ilustra la realización preferente:
- -
- al nivel de la cavidad 30, la pestaña 28, y en concreto su extremo, presenta una dirección general perpendicular a la pared 26 de fondo de la cavidad o, más exactamente, a la cara 26b exterior de la pared 26 de fondo, la cual es sensiblemente plana (y horizontal en la figura 5);
- -
- el refuerzo 34 está situado en la base de la pestaña 28; y
- -
- los canales 32 de refrigeración presentan una sección constante a lo largo de toda su longitud.
Claims (6)
1. Álabe (10) hueco de rotor para la turbina de
un motor de turbina de gas que comprende un canal (24) de
refrigeración interno, una cavidad (30) abierta situada en el
extremo (14) libre del álabe (10) y delimitada por una pared (26)
de fondo que se extiende sobre todo el extremo (14) del álabe y una
pestaña (28) que se extiende entre el borde (20) de ataque y el
borde (22) de salida a lo largo de la pared (18) del extradós y de
la pared (16) del intradós, y canales (32) de refrigeración que
unen el citado canal (24) de refrigeración interna y la cara
exterior de la pared (16) del intradós, estando los citados canales
(32) de refrigeración inclinados con respecto a la pared (16) del
intradós de tal manera que desembocan en la cara exterior de la
pared (16) del intradós en dirección a la cara (28a) superior de la
citada pestaña, formando la citada pestaña (28) una pared delgada y
caracterizado porque existe un refuerzo (34) de material
entre la pestaña (28) y la pared (26) de fondo de la cavidad (30) a
lo largo de al menos una parte de la pared (16) del intradós, siendo
la cara (34a) del citado refuerzo (34) orientada en dirección a la
cavidad (30) sensiblemente plana, por lo cual la citada pestaña
(28) está ensanchada en su base de forma contigua a la citada pared
(26) de fondo de manera que los canales (32) de refrigeración
desembocan cerca de la cara (28a) superior de la pestaña (28) sin
reducir la resistencia mecánica del extremo (14) del álabe
(10).
2. Álabe (10) de turbina de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la cara (34a) del
citado refuerzo (34) orientada en dirección a la cavidad (30) forma,
junto con la cara (26b) de la pared (26) de fondo orientada hacia
la cavidad (30), un ángulo (\alpha) comprendido entre 170º y
100º, preferiblemente entre 135º y 110º.
3. Álabe (10) de turbina de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque el citado ángulo
(\alpha) es casi igual a 112º.
4. Álabe (10) de turbina de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 2 y 3, caracterizado
porque la citada cara (34a) del citado refuerzo (34) es casi
paralela a la dirección de los canales (32) de refrigeración.
5. Álabe (10) de turbina de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque la distancia (A) entre la salida de los canales (32) de
refrigeración y la citada cara (28a) superior de la pestaña (28) es
inferior a la distancia (B) entre la salida de los canales (32) de
refrigeración y la citada cara (34a) del refuerzo (34).
6. Álabe (10) de turbina de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado
porque la distancia (B') entre la salida de los canales (32) de
refrigeración y la citada cara (34a) del refuerzo (34) es al menos
igual a la distancia (C) que separa la intersección (C1) entre la
cara interior de la pestaña (28) al nivel de la pared (28) del
extradós y la cara (26b) de la pared (26) de fondo orientada en
dirección a la citada cavidad (30) de la intersección (C2) entre la
cara exterior de la pared (18) del extradós y la cara (26a) de la
pared (26) de fondo orientada en dirección opuesta a la citada
cavidad (30).
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