ES2303163T3 - Alabe de turbina hueco. - Google Patents

Abstract

Álabe (30) de turbina hueco, con un perfil (36) de superficie de apoyo formado por una pared (42) de perfil del lado de succión y por una pared (44) de perfil del lado de presión y alrededor del cual puede circular un gas (11) caliente, que desde una plataforma (32) hasta una punta (58) de perfil presenta una altura (H) de perfil dirigida a lo largo de un eje de álabe, con al menos un nervio (48) de soporte previsto en el interior del álabe (30) de turbina, que une la pared (44) de perfil del lado de presión con la pared (42) de perfil del lado de succión en cada caso en una zona (50) de unión, y con al menos una muesca (56) prevista en el lado de gas caliente en la pared (42, 44) de perfil, caracterizado porque la muesca (56) en el lado de gas caliente en la pared (42, 44) de perfil está opuesta a la zona (50) de unión formada por el nervio (48) de soporte y por la pared (42, 44) de perfil.

Description

Álabe de turbina hueco.

La invención se refiere a un álabe de turbina hueco, con un perfil de superficie de apoyo formado por una pared de perfil del lado de succión y por una pared de perfil del lado de presión y alrededor del cual puede circular un gas caliente, que desde una plataforma hasta una punta de perfil presenta una altura de perfil dirigida a lo largo de un eje de álabe, con al menos un nervio de soporte previsto en el interior del álabe de turbina, que une la pared de perfil del lado de presión con la pared de perfil del lado de succión en cada caso en una zona de unión así como con al menos una muesca prevista en el lado de gas caliente en la pared de perfil que se extiende a lo largo del eje de álabe. La invención se refiere además al uso de un álabe de turbina del tipo genérico.

Por el documento EP 1 508 399 A1 se conoce un álabe de turbina para una turbina de gas, que para evitar grietas inadmisiblemente grandes limita espacialmente su crecimiento mediante una muesca que discurre en la zona del borde anterior del álabe. Por tanto las grietas que aparecen en el borde anterior del álabe pueden crecer en la dirección axial sólo como máximo hasta la muesca. Esto lleva a una vida útil prolongada del álabe de turbina.

Sin embargo se ha descubierto, que la aparición de grietas (vista en la dirección de circulación) también puede producirse detrás de la muesca, en la zona media del perfil de álabe. Las grietas que aparecen allí pueden propagarse posteriormente en la dirección del borde posterior. Si una grieta de este tipo presenta una longitud que es mayor que una longitud de grieta crítica máxima admisible, entonces ya no se garantiza un funcionamiento seguro de una turbina de gas equipada con esto, de modo que debe cambiarse este álabe de turbina.

Por tanto es objetivo de la invención proporcionar un álabe de turbina con una vida útil prolongada.

El objetivo se soluciona mediante un álabe de turbina del tipo genérico, en el que la muesca en el lado de gas caliente en la pared de perfil está opuesta a la zona de unión formada por el nervio de soporte y por la pared de perfil.

La invención parte del conocimiento de que el material del perfil de superficie de apoyo se calienta debido al gas caliente que circula a lo largo por fuera. El nervio de soporte que discurre en el interior entre la pared de perfil del lado de presión y la pared de perfil del lado de succión está por el contrario más frío que el material calentado de las paredes de perfil. Dado que el nervio de soporte pasa sin embargo de manera integral a la pared de perfil del lado de presión o del lado de succión, se conduce y se evacua localmente energía térmica a través de la zona de unión que se encuentra en el interior desde la respectiva pared de perfil al interior del nervio de soporte, de modo que en la zona de desembocadura del nervio de soporte a la pared de perfil se produce una temperatura de material reducida a lo largo de la zona de unión que se extiende sobre la altura de perfil. En la dirección transversal con respecto al eje de álabe, la pared de perfil es por el contrario más caliente en zonas amplias. En consecuencia se producen tensiones condicionadas térmicamente en el material, que originan la generación de grietas y que pueden favorecer el crecimiento de las grietas.

Para reducir estas tensiones condicionadas térmicamente y que originan el desgaste, en el material de la pared de perfil, la invención propone que la muesca en el lado de gas caliente en la pared de perfil esté opuesta a la zona de unión formada por el nervio de soporte y por la pared de perfil. La muesca alivia el material, posibilitando dilataciones condicionadas térmicamente localmente más grandes de la pared de perfil. En consecuencia la muesca de alivio lleva a una reducción de las tensiones condicionadas térmicamente en la pared de perfil, que prolonga la vida útil. Las tensiones térmicas que siguen produciéndose en el perfil de superficie de apoyo se producen entonces en un orden de magnitud que es inocuo para el material. En este punto se llega con menos frecuencia a grietas y/o al crecimiento de grietas, mediante lo cual se prolonga la vida útil del álabe de turbina. Además la muesca puede servir como detención de grietas o limitador de grietas, mediante lo cual puede prolongarse a su vez la vida útil del álabe de turbina. Una turbina de gas equipada con este álabe de turbina de larga vida presenta un tiempo de funcionamiento mayor y un tiempo de parada reducido, dado que los álabes de turbina deben examinarse con menos frecuencia para detectar grietas con longitudes críticas y dado el caso cambiarse. En este sentido, pueden reducirse con la invención también los costes de mantenimiento de las turbinas de gas y mejorarse adicionalmente su rentabilidad.

Las configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.

Preferiblemente la muesca se extiende a lo largo del eje de álabe y presenta al menos una longitud del 10%, preferiblemente de al menos el 20% de la altura de perfil. Especialmente esta medida prolonga la vida útil de la turbina de gas, dado que los nervios de soporte previstos en el interior del álabe de turbina se extienden igualmente a lo largo del eje de álabe y unen la pared de perfil del lado de presión con la pared de perfil del lado de succión en cada caso en una zona de unión.

Debido a que se producen las reducciones de temperatura locales provocadas por los nervios de soporte comparativamente más fríos y en consecuencia el aumento local de las tensiones condicionadas térmicamente, especialmente en una zona de transición redondeada entre la plataforma y el perfil de superficie de apoyo, la muesca o las muescas pueden extenderse también hacia el interior de la zona de transición. Con ello puede protegerse preferiblemente también la zona de transición ante la aparición de grietas. Además mediante esto se retrasa o se limita el crecimiento de grietas en la zona de transición. Convenientemente la muesca prevista en la superficie externa alrededor de la cual circula gas caliente puede extenderse más allá de la zona de transición hasta dentro de la plataforma.

Cuando la muesca presenta una profundidad de penetración, que se extiende desde la superficie del lado de gas caliente de la pared de perfil hasta dentro de la zona de unión y/o dentro del nervio de soporte, puede reducirse de manera especialmente eficaz el aporte de frío que se produce localmente, es decir la absorción de calor configurada localmente mediante el nervio de soporte más frío, mediante lo cual el material de la pared de perfil, entre la zona de unión y la superficie externa opuesta a ésta, está más caliente en comparación con el estado de la técnica. En consecuencia se configura a lo largo de la dirección de circulación en la pared de perfil una distribución de temperatura homogeneizada y con ello un gradiente de temperatura más reducido. Mediante esto se reducen las tensiones térmicas, lo que lleva a una prolongación de la vida útil del álabe de turbina.

En otra configuración ventajosa de la invención, la muesca está rellena con un material de relleno, para evitar las pérdidas aerodinámicas que se produzcan eventualmente en el gas caliente debido a bordes. A este respecto el material de relleno es más blando que el material de la pared de perfil. Las dilataciones de la pared de perfil condicionadas térmicamente que se producen pueden compensarse especialmente bien en este caso por el material de relleno blando.

La invención se explica mediante un dibujo. Muestran:

la figura 1 una turbina de gas en un corte parcial longitudinal,

la figura 2 una vista en perspectiva de un álabe de turbina según la invención y

la figura 3 el corte transversal según la línea de corte III del álabe de turbina según la figura 2.

La figura 1 muestra una turbina 1 de gas en un corte parcial longitudinal. Presenta en el interior un rotor 3 montado de manera giratoria alrededor de un eje 2 de rotación, que también se denomina rotor de turbina. A lo largo del rotor 3 van seguidos un alojamiento 4 de aspiración, un compresor 5, una cámara 6 de combustión anular de tipo toroidal con varios quemadores 7 dispuestos simétricos entre sí con respecto a la rotación, una unidad 8 de turbina y un alojamiento 9 de gas de escape. La cámara 6 de combustión anular forma un espacio 17 de combustión, que comunica con un canal 18 de gas caliente en forma de anillo. Allí, cuatro etapas 10 de turbina conectadas unas detrás de las otras forman la unidad 8 de turbina. Cada etapa 10 de turbina está formada por dos anillos de álabe. Visto en la dirección de circulación de un gas 11 caliente generado en la cámara 6 de combustión anular, en el canal 18 de gas caliente a una serie 13 de álabes directores le sigue una serie 14 formada por álabes de rodete. Los álabes 12 directores están fijados en el estator, mientras que los álabes 15 de rodete de una serie 14 están colocados por medio de un disco de turbina en el rotor 3. Al rotor 3 está acoplado un generador o una máquina operadora (no representado).

La figura 2 muestra un álabe 30 de turbina según la invención en una vista en perspectiva. El álabe 30 de turbina presenta una plataforma 32, en cuya superficie 34 está dispuesto un perfil 36 de superficie de apoyo alrededor del cual puede circular el gas 11 caliente. El perfil 36 de superficie de apoyo se extiende desde un borde 38 anterior hasta un borde 40 posterior. Presenta además una pared 42 de perfil del lado de succión que discurre entre los mismos así como una pared 44 de perfil del lado de presión que igualmente discurre entre los mismos.

En el álabe 30 de turbina están previstos por ejemplo tres espacios 46 huecos, que están separados entre sí por dos nervios 48 de soporte. Los nervios 48 de soporte unen la pared 42 de perfil del lado de succión con la pared 44 de perfil del lado de presión y sirven para aumentar la rigidez del perfil 36 de superficie de apoyo.

El álabe 30 de turbina se produce por regla general mediante un procedimiento de colada. En un dispositivo de fundición se utilizan para ello tres núcleos de fundición, que se retiran del mismo tras la producción del álabe 30 de turbina. En este punto se quedan los espacios 46 huecos, entre los que están dispuestos los nervios 48 de soporte. Por tanto en el caso de álabes 30 de turbina fundidos los nervios 48 de soporte pasan de manera integral en una zona 50 de unión a la pared 42, 44 de perfil del lado de succión y/o del lado de presión y están unidas con éstas formando una sola pieza, lo que tiene un efecto de acoplamiento especialmente bueno desde el punto de vista de la técnica térmica de la pared 42, 44 de perfil con el nervio de soporte.

En el caso del uso del álabe 30 de turbina en una turbina 1 de gas se calienta completamente el perfil 36 de superficie de apoyo alrededor del cual circula el gas 11 caliente. A este respecto se configuró en el álabe de turbina conocido por el estado de la técnica en el material del perfil 36 de superficie de apoyo a lo largo de la dirección de circulación del gas 11 caliente, es decir desde el borde 38 anterior hasta el borde 40 posterior, hasta el momento una evolución de la temperatura que presentaba en la zona de cada nervio 48 de soporte un mínimo de temperatura local. Este calentamiento irregular provocado por el nervio 48 de soporte más frío del perfil 36 de superficie de apoyo originaba en la sección próxima a la superficie de las paredes 42, 44 de perfil tensiones condicionadas térmicamente tan grandes, que podían aparecer allí grietas y se producía el crecimiento de grietas de manera aumentada. Esto limitaba la vida útil del álabe de turbina conocido.

Para garantizar una evolución de la temperatura más homogénea desde el borde 38 anterior hasta el borde 40 posterior en las paredes 42, 44 de perfil, según la invención está dispuesta la muesca 56 prevista en el lado de gas caliente en una pared 42, 44 de perfil ahora en una sección de la pared 42, 44 de perfil, que está opuesta a la zona 50 de unión y con ello también al nervio 48 de soporte. La muesca 56 eleva el mínimo de temperatura local que se produce en su zona, dado que la conductividad térmica de la zona 50 de unión se ha reducido debido al corte transversal reducido. De manera correspondiente se reducen los gradientes de temperatura a lo largo de las paredes 42, 44 de perfil desde el borde 38 anterior hasta el borde 40 posterior, lo que tiene un efecto de reducción de la tensión en la sección que presenta la muesca 50. Las tensiones térmicas se encuentran entonces a un nivel inocuo y el material del perfil 36 de superficie de apoyo puede resistir durante más tiempo a las cargas que se producen.

Las muescas 56 presentan una longitud L mínima, que corresponde al menos al 10%, preferiblemente al menos al 20% de la altura H del perfil 36 de superficie de apoyo. La altura H del perfil 36 de superficie de apoyo se determina entre la superficie 34 de la plataforma 32 y la punta 58 del perfil 36 de superficie de apoyo.

Dado que el mínimo de temperatura local se produce especialmente en la zona próxima a la plataforma del perfil 36 de superficie de apoyo, la muesca 56 puede extenderse hacia el interior de una zona 60 de transición redondeada que está dispuesta entre la plataforma 32 y el perfil 36 de superficie de apoyo. Esta configuración de las muescas 56 se representa mediante los contornos 62 mostrados a modo de línea discontinua. Además puede conseguirse una protección especialmente buena frente al desgaste de tipo grieta cuando la muesca 62 se extiende además hasta dentro de la plataforma 32.

La figura 3 muestra un corte a través del álabe 30 de turbina según la invención a lo largo de la línea de corte III de la figura 2. El álabe 30 de turbina puede estar configurado como álabe de rodete y/o como álabe director para una turbina 1 de gas especialmente estacionaria.

El perfil 36 de superficie de apoyo mostrado en el corte transversal muestra el borde 38 anterior, el borde 40 posterior, la pared 42 de perfil del lado de succión, la pared 44 de perfil del lado de presión así como dos nervios 48 de soporte que separan los espacios 46 huecos, que en cada caso pasan a las paredes 42, 44 de perfil en una zona 50 de unión. En la representación en corte según la figura 3 las muescas 56 mostradas están rellenas con un material de relleno, mediante lo cual puede producirse un contorno superficial especialmente aerodinámico del perfil 36 de superficie de apoyo. Mediante esto se evitan en las paredes 42, 44 de perfil los bordes y salientes que discurren transversalmente con respecto a la dirección de circulación del gas 11 caliente.

Las muescas 56 penetran en cada caso con una profundidad E de penetración en las paredes 42, 44 de perfil. Ésta puede ser tan grande, que las muescas 56 penetren en la zona 50 de unión y dado el caso incluso más allá, hasta el interior de los nervios 48 de soporte. Mediante esto se garantiza, que la diferencia de temperatura a lo largo del perfil 36 de superficie de apoyo desde el borde 38 anterior hasta el borde 48 posterior se homogeneice de manera especialmente eficaz, para aumentar así adicionalmente la vida útil del álabe 30 de turbina.

La invención es especialmente eficaz cuando un agente refrigerante, por ejemplo aire comprimido extraído del compresor 5 de la turbina 1 de gas, atraviesa el álabe 30 de turbina hueco y el perfil 36 de superficie de apoyo. En este caso se enfrían desde el interior concretamente las paredes 42, 44 de perfil según la determinación, pero igualmente los nervios 48 de soporte. El indeseado aporte de frío local o eliminación de calor local desde la pared 42, 44 de perfil a través de la zona 50 de unión y a través de los nervios 48 de soporte es especialmente eficaz debido al acoplamiento especialmente bueno desde el punto de vista de la técnica térmica. De manera correspondiente las diferencias de temperatura a lo largo de las paredes 42, 44 de perfil y con ello también las tensiones térmicas son especialmente grandes en el caso de un álabe 30 de turbina enfriado desde el interior. Así puede prolongarse de manera eficaz con la invención la vida útil especialmente de álabes 30 de turbina enfriados desde el interior.

Las muescas 56 que sirven para el alivio térmico pueden estar previstas también sólo en una pared de perfil, por ejemplo en la pared 42 de perfil del lado de succión o en la pared 44 de perfil del lado de presión. Además las muescas 56, 62 sirven como límites para las grietas que aparecen en el material de álabe contiguo. Cuando hay una grieta por ejemplo en la zona del espacio 46 hueco intermedio en una de las dos paredes 42, 44 de perfil y ésta se alarga en la dirección de circulación del gas 11 caliente, ésta aumenta forzosamente como máximo hasta una de las dos muescas 56. El alargamiento de la grieta más allá de la muesca 56 no es posible.

En global se proporciona con la invención una medida para homogeneizar la tensión térmica en un perfil 36 de superficie de apoyo de un álabe 30 de turbina, para aumentar la vida útil del álabe 30 de turbina y de manera correspondiente los tiempos de funcionamiento de una turbina 1 de gas equipada con el mismo. Para ello la invención propone que el álabe 30 de turbina hueco presente en la zona de los nervios 48 de soporte, que unen entre sí una pared 42 de perfil del lado de succión con una pared 44 de perfil del lado de presión en cada caso en una zona 50 de unión, muescas 56 dispuestas en el lado de gas caliente para el alivio.

Claims (8)

1. Álabe (30) de turbina hueco, con un perfil (36) de superficie de apoyo formado por una pared (42) de perfil del lado de succión y por una pared (44) de perfil del lado de presión y alrededor del cual puede circular un gas (11) caliente, que desde una plataforma (32) hasta una punta (58) de perfil presenta una altura (H) de perfil dirigida a lo largo de un eje de álabe, con al menos un nervio (48) de soporte previsto en el interior del álabe (30) de turbina, que une la pared (44) de perfil del lado de presión con la pared (42) de perfil del lado de succión en cada caso en una zona (50) de unión, y con al menos una muesca (56) prevista en el lado de gas caliente en la pared (42, 44) de perfil, caracterizado porque la muesca (56) en el lado de gas caliente en la pared (42, 44) de perfil está opuesta a la zona (50) de unión formada por el nervio (48) de soporte y por la pared (42, 44) de perfil.

2. Álabe (30) de turbina según la reivindicación 1, en el que la muesca (56) se extiende a lo largo del eje de álabe y presenta al menos una longitud del 10%, preferiblemente de al menos el 20% de la altura H de perfil.

3. Álabe (30) de turbina según la reivindicación 1 o 2, en el que entre la plataforma (32) y el perfil (36) de superficie de apoyo está prevista una zona (60) de transición redondeada, hacia el interior de la cual se extiende la muesca (56).

4. Álabe (30) de turbina según la reivindicación 3, en el que la muesca (56) se extiende hacia el interior de la plataforma (32).

5. Álabe (30) de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la muesca (56) presenta una profundidad (E) de penetración, que se extiende hasta dentro de la zona (50) de unión y/o dentro del nervio (48) de soporte.

6. Álabe (30) de turbina según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la muesca (56) está rellena con un material de relleno.

7. Álabe (30) de turbina según la reivindicación 6, en el que el material de relleno es más blando que el material de la pared (42, 44) de perfil.

8. Álabe (30) de turbina enfriado según una de las reivindicaciones anteriores.