ES2303312T3 - Deflector de aire para circuito de refrigeracion para alabe de turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Álabe (10) de turbina de gas que comprende un circuito de refrigeración interno que se compone de al menos una cavidad (24, 26, 102, 104) que se extiende radialmente entre el pie (12) y la parte superior (14) del álabe, al menos una abertura de admisión de aire (34) en una extremidad radial de la cavidad (24, 26, 102, 104) y al menos un orificio de salida de aire (44) practicado en la cavidad y que desemboca en una de las caras (20, 22) del álabe, comprendiendo al menos una de las paredes (24a, 26a, 104a) de la citada cavidad del circuito de refrigeración al menos un deflector de aire (48, 48'', 48'''') cuya forma y dimensiones están adaptadas para proyectar el aire que fluye a lo largo de la citada pared (24a, 26a, 104a) de la cavidad hacia la pared opuesta (24b, 26b, 104b) de la citada cavidad evitando una posterior adhesión de la capa límite inmediatamente aguas abajo del citado deflector de aire (48, 48'', 48''''), caracterizado porque el deflector de aire (48, 48'', 48'''') presenta una rampa inclinada (52) que es redondeada y que posee una longitud (L) comprendida entre 2 y 4 veces su altura (h) de manera que proyecta el aire que fluye a lo largo de la pared (24a, 26a, 104a) de la cavidad hacia la pared opuesta (24b, 26b, 104b), presentando la rampa inclinada (52) del deflector de aire una altura (h) que corresponde aproximadamente a 37,5% de la distancia que separa las dos paredes opuestas de la cavidad del circuito de refrigeración.
Description
Deflector de aire para circuito de refrigeración
para álabe de turbina de gas.
La presente invención se refiere al dominio
general de la refrigeración de los álabes de turbina de gas,
particularmente a los álabes móviles de una turbina de gas de
turbomáquina.
Los álabes de turbina de gas de una
turbomáquina, tales como los álabes móviles de la turbina de alta
presión por ejemplo, están sometidos a las muy elevadas temperaturas
de los gases emitidos desde la cámara de combustión. Estas
temperaturas alcanzan valores muy superiores a los que pueden
soportar sin daños los álabes de la turbina, lo que tiene como
consecuencia limitar su vida útil.
Con el fin de remediar este problema, es bien
conocido proveer a estos álabes de circuitos internos de
refrigeración. Gracias a tales circuitos de refrigeración, aire, que
es generalmente introducido en el álabe por su pie, atraviesa éste
siguiendo un trayecto formado por cavidades practicadas en el álabe
antes de ser expulsado por orificios practicados en la superficie
del álabe.
Existen numerosas realizaciones diferentes de
estos circuitos de refrigeración. Así, ciertos circuitos utilizan
cavidades de refrigeración que ocupan toda la anchura del álabe (es
decir que se extienden desde el intradós hasta el extradós del
álabe). Otros circuitos proponen la utilización de cavidades de
refrigeración cuyo borde no ocupa más que un solo lado del álabe
(intradós o extradós) o los dos lados con la adición de una gran
cavidad central entre estas cavidades de borde.
En términos de mantenimiento mecánico, un álabe
de turbina de gas muestra una buena vida útil si sus caras intradós
y extradós presentan temperaturas parecidas (es decir si el
gradiente térmico entre estas caras es bajo). Por otra parte,
cualquiera que sea el modo de realización de los circuitos de
refrigeración, la refrigeración interna de un álabe de turbina se
asegura mediante convección interna de un flujo de aire fresco sobre
las paredes de las cavidades que forman los circuitos. Resulta un
intercambio térmico diferente en cada pared de la cavidad,
independientemente del hecho de que ésta sea lisa o perturbada o que
el álabe sea fijo o móvil.
Ahora bien, el intercambio térmico con los gases
calientes que circulan en el exterior del álabe es más importante
del lado intradós que del lado extradós del álabe. Además, para
compensar este fenómeno y así obtener un gradiente térmico pequeño
entre las caras intradós y extradós del álabe, es necesario
refrigerar fuertemente las paredes internas de las cavidades del
circuito de refrigeración que están dispuestas del lado intradós del
álabe.
Para un álabe móvil de turbina de gas, cuando el
flujo del aire en las cavidades del circuito de refrigeración es
centrifugo, y a pesar de los efectos de la fuerza de Coriolis que
aumentan los intercambios térmicos internos en el intradós del
álabe, la diferencia con los intercambios térmicos que se efectúan
en el extradós del álabe sigue siendo demasiado importante para
obtener un pequeño gradiente térmico. Igualmente, cuando el flujo
del aire en las cavidades del circuito de refrigeración del álabe
móvil es centrípeto, el intercambio térmico es naturalmente
favorable en el extradós del álabe, lo que acentúa incluso la
diferencia de temperatura entre las caras intradós y extradós
del
álabe.
álabe.
Se conoce también del documento DE 195 26917 un
circuito de refrigeración de un álabe cuyas cavidades están
provistas de perturbadores de flujo.
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La presente invención tiene por consiguiente por
objetivo principal paliar tales inconvenientes proponiendo un álabe
de turbina de gas para el cual el circuito interno de refrigeración
permite minimizar la diferencia de temperatura entre las caras
intradós y extradós de éste.
A este efecto, se prevé un álabe de turbina de
gas de acuerdo con la reivindicación 1.
Situando inteligentemente el deflector de aire
en la cavidad del circuito de refrigeración según que el flujo en
ésta sea centrifugo o centrípeto, es posible proyectar el aire que
circula en la cavidad hacia la pared de la cavidad que está
dispuesta del lado intradós del álabe. Así, tal deflector de aire
permite aumentar el intercambio térmico interno en el intradós del
álabe y por consiguiente reducir el gradiente térmico entre las
paredes intradós e extradós de la cavidad del circuito de
refrigeración. De esa manera, cualquier diferencia de temperatura
entre las caras intradós y extradós del álabe puede ser evitada.
De acuerdo con la invención, el deflector de
aire presenta una rampa inclinada de manera que proyecte el aire que
fluye a lo largo de la pared de la cavidad hacia la pared opuesta.
Tal rampa posee una longitud comprendida entre 2 y 4 veces su altura
y puede presentar un radio de curvatura comprendido entre 30 y 30
mm.
De acuerdo con una aplicación particular de la
invención, la pared de la cavidad del circuito de refrigeración que
comprende el deflector de aire puede estar dispuesta del lado
extradós del álabe y la pared de la cavidad sobre la cual se
proyecta el aire puede estar dispuesta del lado intradós del
álabe.
Cuando el flujo del aire en la cavidad del
circuito de refrigeración es centrifugo, el deflector de aire está
ventajosamente dispuesto sobre la pared de la cavidad del circuito
de refrigeración al nivel de una zona de unión del álabe.
Alternativamente, cuando el flujo del aire en la
cavidad del circuito de refrigeración es centrípeto, el deflector de
aire está ventajosamente dispuesto sobre la pared de la cavidad del
circuito de refrigeración al nivel de la parte superior del
álabe.
De acuerdo con otra alternativa más para la cual
el circuito de refrigeración comprende al menos dos cavidades, el
deflector de aire puede estar situado al nivel de un paso que hace
comunicar la extremidad radial de una de las cavidades con una
extremidad radial vecina de la otra cavidad.
La invención tiene igualmente por objeto una
turbina de gas y una turbomáquina que tiene una pluralidad de álabes
tales como los definidos precedentemente.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción hecha a continuación, en
referencia a los dibujos adjuntos que ilustran un ejemplo de
realización desprovisto de cualquier carácter limitativo. En las
figuras:
- la figura 1 es una vista en corte longitudinal
de un álabe móvil de turbina de gas de acuerdo con un modo de
realización de la invención;
- la figura 2 es una vista en corte según
II-II de la figura 1;
- la figura 3 es una ampliación de un detalle de
la figura 2;
- la figura 4 es una vista en corte según
IV-IV de la figura 1; y
- la figura 5 es una vista parcial y en corte
longitudinal de un álabe móvil de turbina de gas de acuerdo con otro
modo de realización de la invención.
Las figuras 1 a 4 representan un álabe móvil 10
de turbomáquina, tal como un álabe móvil de turbina de alta presión.
Se ha de entender que la invención puede también aplicarse a otros
álabes móviles de una turbina de gas de turbomáquina, así como a
álabes fijos de una turbina de gas de turbomáquina.
El álabe 10 comprende una superficie
aerodinámica (o paleta) que se extiende radialmente entre un pie de
álabe 12 y una parte superior de álabe 14. Esta superficie
aerodinámica se compone de un borde de ataque 16 dispuesto en frente
del flujo de los gases calientes emitidos desde la cavidad de
combustión de la turbomáquina, de un borde de salida 18 opuesto al
borde de ataque 16, de una cara lateral intradós 20 y de una cara
lateral extradós 22, uniendo estas caras laterales 20, 22 el borde
de ataque 16 al borde de salida 18.
El álabe 10 está provisto de un circuito interno
de refrigeración del tipo formado por al menos una cavidad que se
extiende radialmente entre el pie 12 y la parte superior 14 del
álabe, al menos una abertura de admisión de aire en una extremidad
radial de la cavidad y al menos un orificio de salida de aire
practicado en la cavidad y que desemboca en una de las caras del
álabe.
En el ejemplo de realización de las figuras 1 a
4, el circuito interno de refrigeración del álabe se compone de una
cavidad de borde de ataque 24 dispuesta del lado del borde de ataque
16 del álabe, de tres cavidades centrales 26, 28 y 30 dispuestas en
una parte central del álabe y de una cavidad de borde de salida 32
dispuesta en una parte central del álabe y de una cavidad de borde
de salida 32 dispuesta del lado del borde de salida 18 del álabe.
Estas diferentes cavidades 24, 26, 28, 30 y 32 se extienden desde la
cara intradós 20 hasta la cara extradós 22 del álabe.
Una abertura de admisión de aire 34 está
prevista en una extremidad radial de la cavidad de borde de ataque
24 (aquí al nivel del pie 12 del álabe) con el fin de alimentar de
aire el circuito de refrigeración.
Un primer paso 36 hace comunicar la otra
extremidad radial de la cavidad de borde de ataque 24 con una
extremidad radial vecina de la cavidad central 26 adyacente. Un
segundo paso 38 y un tercer paso 40 hacen comunicar respectivamente
la cavidad central 26 con la cavidad central 28 adyacente y esta
última con la cavidad central restante. Finalmente, un cuarto paso
42 hace comunicar la cavidad central 30 con la cavidad de borde de
salida 32.
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El circuito de refrigeración intradós comprende
también orificios de salida 44 practicados en la cavidad de borde de
salida 32 y que desembocan en la cara intradós 20 del álabe al nivel
del borde de salida 18 de este último. Estos orificios 44 están
regularmente repartidos en toda la altura radial del álabe.
Pueden preverse perturbadores de flujo del aire
46 destinados a aumentar las transferencias térmicas a lo largo de
las paredes de las diferentes cavidades 24, 26, 28, 30 y 32 del
circuito de refrigeración. Estos perturbadores de flujo 46 pueden
presentarse en forma de nervaduras que son rectas o inclinadas con
relación al eje de rotación del álabe, en forma de tetones o incluso
en cualesquiera otras formas equivalentes.
Se ha de entender que, cualquier otro modo de
realización del circuito interno de refrigeración del álabe del tipo
descrito precedentemente es aplicable a la invención.
Particularmente, el número, la forma y la disposición de las
cavidades, así como la cantidad y la disposición de los orificios de
admisión de aire, de los pasos de comunicación y de los orificios de
salida pueden variar de acuerdo con el circuito de
refrigeración.
De acuerdo con la invención, al menos una de las
paredes de una (o de varias) de las cavidades 24, 26, 28, 30 y 32
del circuito de refrigeración comprende al menos un deflector de
aire 48, 48'.
Un ejemplo de emplazamiento de tal deflector de
aire 48 es particularmente visible en las figuras 2 y 3. En estas
figuras, el deflector de aire 48 está situado en la pared 24a de la
cavidad de borde de ataque 24 que está dispuesta del lado extradós
22 del álabe.
Otro ejemplo de emplazamiento de tal deflector
de aire 48 está representado en la figura 4. En esta figura, el
deflector de aire 48' está dispuesto en la pared 26a de la cavidad
26 adyacente a la cavidad de borde de ataque 24 que está dispuesta
del lado extradós 22 del álabe.
Siempre de acuerdo con la invención, la forma y
las dimensiones del deflector de aire 48, 48' están adaptadas para
proyectar el aire que fluye a lo largo de la pared 24a, 26a de la
cavidad 24, 26 hacia la pared opuesta 24b, 26b de la cavidad
evitando una adhesión posterior de la capa límite inmediatamente
aguas abajo del deflector de aire.
Por adhesión posterior de la capa límite
inmediatamente aguas abajo del deflector de aire 48, 48', hay que
entender que el flujo del aire aguas abajo del deflector se efectúa
principalmente a lo largo de la pared 24b, 26b opuesta a la pared
24a, 26a sobre la cual está implantado el deflector de aire. Además,
en la zona 50, 50' inmediatamente aguas abajo del deflector de aire
48, 48', el flujo del aire a lo largo de la pared 24a, 26a de
emplazamiento del deflector es pequeña. A título de ejemplo, esta
zona 50, 50' de bajo flujo del aire se extiende sobre una altura
radial del álabe del orden de aproximadamente 20% de la altura
radial total del álabe.
Con relación a los perturbadores de flujo del
aire que se utilizan para aumentar las transferencias térmicas, el
deflector de aire de acuerdo con la invención se distingue porque
consiste, por una parte en proyectar el aire sobre la pared opuesta
a la de su implantación, y por otra parte en evitar una adhesión
posterior inmediata de la capa límite. Por el contrario, un
perturbador de flujo del aire tiene por función esencial aumentar la
turbulencia del flujo del aire en la proximidad inmediata del
perturbador buscando adherir de nuevo el flujo aguas abajo de éste.
Como se representa en las figuras 1 a 4, la presencia de
perturbadores de flujo de aire 46 con el deflector de aire 48, 48'
de acuerdo con la invención no es por otra parte incompatible.
La figura 3 representa de manera más precisa un
modo de realización de un deflector de aire 48 de acuerdo con la
invención.
El deflector de aire 48 comprende una rampa 52
que está inclinada con relación a la pared 24a de la cavidad 24
sobre la cual el deflector está implantado de manera que proyecte el
aire que fluye a lo largo de esta pared 24a hacia la pared opuesta
24b.
De manera ventajosa, la rampa inclinada 52 del
deflector de aire 48 posee una longitud L que está
comprendida entre 2 y 4 veces su altura h. Por ejemplo, para
una cavidad de refrigeración 24 que tiene una anchura d (es
decir la distancia que separa sus paredes 24a, 24b) del orden de 4
mm, la rampa del deflector de aire 48 posee una altura h del
orden de 1,5 mm y una longitud L comprendida entre 3 y 5 mm.
A título de comparación, para la cavidad de refrigeración 24 que
tiene una anchura d del orden de 3 mm, un perturbador de
flujo del aire 46 tal como el descrito precedentemente posee una
altura comprendida entre 0,4 y 0,5 mm.
Siempre de manera ventajosa, la rampa inclinada
52 del deflector de aire 48 es redondeada y presenta un radio de
curvatura R comprendido entre 20 y 30 mm. Este valor se da a
título de ejemplo para una cavidad de refrigeración 24 que tiene una
anchura d del orden de 4 mm. Un radio de curvatura R
también importante con relación a la anchura d de la cavidad
24 permite desplazar el aire que fluye a lo largo de la pared 24a
hacia la pared opuesta 24b sin por tanto acelerarlo brutalmente. Se
observará igualmente que el radio de curvatura R de la rampa
52 del deflector es preferentemente superior a la longitud L
sobre la cual se extiende esta rampa.
Del lado opuesto a la rampa inclinada 52, el
deflector de aire 48 presenta otra rampa redondeada 54 cuyo radio de
curvatura r y la longitud l sobre la cual se extiende
se calculan de manera que se evite una posterior adhesión de la capa
límite inmediatamente aguas abajo del deflector de aire.
Particularmente, el radio de curvatura r de esta rampa 54
debe ser lo más pequeño posible para alcanzar este objetivo.
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En el ejemplo de realización de las figuras 1 a
3, el flujo del aire en la cavidad de borde de ataque 24 es
centrifugo, es decir que el aire fluye desde el pie 12 hacia la
parte superior 14 del álabe. En este tipo de flujo, el deflector de
aire 48 está ventajosamente dispuesto sobre la pared de la cavidad
24 del circuito de refrigeración al nivel de una zona de unión del
álabe. Esta zona de unión se extiende desde la extremidad radial del
álabe situada del lado de su pie 12 hasta una plataforma 56 que
delimita la pared interna de la vena de flujo de los gases que
atraviesan la turbina de gas. Tal emplazamiento del deflector de
aire permite obtener un intercambio térmico interno óptimo en el
intradós del álabe.
En este ejemplo de realización de la figura 4,
el flujo del aire en la cavidad central 26 es centrípeto, es decir
que el aire fluye desde la parte superior 14 hacia el pie 12 del
álabe. En este tipo de flujo, el deflector de aire 48' está
ventajosamente dispuesto sobre la pared de la cavidad 26 del
circuito de refrigeración al nivel de la parte superior 14 del
álabe. Tal emplazamiento permite obtener un intercambio térmico
interno óptimo en el intradós del álabe.
Se observará por otra parte que la forma y las
dimensiones del deflector de aire 48' de este modo de realización
representado por la figura 4 son idénticas a las descritas junto con
las figuras 1 a 3.
En relación con la figura 5, se describirá ahora
otro ejemplo de emplazamiento de un deflector de aire 48'' de
acuerdo con la invención.
En este modo de realización, el deflector de
aire 48'' está situado al nivel de un paso 100 que hace comunicar la
extremidad radial de una cavidad 102 de un circuito interno de
refrigeración de un álabe con una extremidad radial cercana a otra
cavidad 104 que es adyacente a él. Tal paso de comunicación 100
puede, por ejemplo, ser uno de los pasos 36 a 40 del álabe de las
figuras 1 a 3.
El deflector de aire 48'' está dispuesto sobre
una de las paredes 104a de la cavidad 104 y su forma y sus
dimensiones están adaptadas para proyectar el aire que fluye a lo
largo de esta pared 104a hacia la pared opuesta 104b evitando una
posterior adhesión de la capa límite inmediatamente aguas abajo del
deflector de aire.
De manera más precisa, el deflector de aire 48''
está situado de tal manera que el aire que circula en la cavidad 102
es proyectado al nivel de su "retorno" en la cavidad adyacente
104 (es decir al nivel del paso de comunicación 100) hacia una zona
106 de circulación del aire que está situada al nivel de la
extremidad radial de la pared opuesta 104b de la cavidad adyacente
104. Tal zona 106 es normalmente una zona en la cual la circulación
del aire es pequeña y no perturbada.
En este ejemplo de realización, el deflector de
aire 48'' permite por consiguiente evitar cualquier riesgo de
desprendimiento de la capa límite al nivel de la zona de
"retorno" del aire entre las dos cavidades 102, 104 del
circuito de refrigeración.
Claims (9)
1. Álabe (10) de turbina de gas que comprende un
circuito de refrigeración interno que se compone de al menos una
cavidad (24, 26, 102, 104) que se extiende radialmente entre el pie
(12) y la parte superior (14) del álabe, al menos una abertura de
admisión de aire (34) en una extremidad radial de la cavidad (24,
26, 102, 104) y al menos un orificio de salida de aire (44)
practicado en la cavidad y que desemboca en una de las caras (20,
22) del álabe, comprendiendo al menos una de las paredes (24a, 26a,
104a) de la citada cavidad del circuito de refrigeración al menos un
deflector de aire (48, 48', 48'') cuya forma y dimensiones están
adaptadas para proyectar el aire que fluye a lo largo de la citada
pared (24a, 26a, 104a) de la cavidad hacia la pared opuesta (24b,
26b, 104b) de la citada cavidad evitando una posterior adhesión de
la capa límite inmediatamente aguas abajo del citado deflector de
aire (48, 48', 48''), caracterizado porque el deflector de
aire (48, 48', 48'') presenta una rampa inclinada (52) que es
redondeada y que posee una longitud (L) comprendida entre 2 y 4
veces su altura (h) de manera que proyecta el aire que fluye a lo
largo de la pared (24a, 26a, 104a) de la cavidad hacia la pared
opuesta (24b, 26b, 104b), presentando la rampa inclinada (52) del
deflector de aire una altura (h) que corresponde aproximadamente a
37,5% de la distancia que separa las dos paredes opuestas de la
cavidad del circuito de refrigeración.
2. Álabe de acuerdo con la reivindicación 1, en
el cual la rampa inclinada (52) del deflector de aire (48, 48',
48'') presenta un radio de curvatura (R) comprendido entre 20 y 30
mm.
3. Álabe de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 y 2, en el cual la pared (24a, 26a) de la cavidad
(24, 26) del circuito de refrigeración que comprende el deflector de
aire (48, 48') está dispuesta del lado extradós (22) del álabe y la
pared (24b, 26b) de la citada cavidad sobre la cual es proyectado el
aire está dispuesta del lado intradós (20) del álabe.
4. Álabe de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual el deflector de aire (48) está
dispuesto sobre la pared (24a) de la cavidad (24) del circuito de
refrigeración al nivel de una zona de unión del álabe.
5. Álabe de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual el deflector de aire (48') está
dispuesto sobre la pared (26a) de la cavidad (26) del circuito de
refrigeración al nivel de la parte superior (14) del álabe.
6. Álabe de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual el circuito de refrigeración
interno comprende al menos dos cavidades (102, 104), estando el
deflector de aire (48'') situado al nivel de un paso (100) que hace
comunicar la extremidad radial de una cavidad (102) con una
extremidad radial vecina de la otra cavidad (104).
7. Álabe de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, en el cual las paredes de la cavidad (24,
26) del circuito de refrigeración están provistas de una pluralidad
de perturbadores (46) de flujo destinados a aumentar las
transferencias térmicas a lo largo de estas paredes.
8. Turbina de gas que comprende una pluralidad
de álabes de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a
7.
9. Turbomáquina que comprende una turbina de gas
que tiene una pluralidad de álabes de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0508740A FR2890103A1 (fr) | 2005-08-25 | 2005-08-25 | Deflecteur d'air pour circuit de refroidissement pour aube de turbine a gaz |
| FR0508740 | 2005-08-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2303312T3 true ES2303312T3 (es) | 2008-08-01 |
Family
ID=36571962
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES06119232T Active ES2303312T3 (es) | 2005-08-25 | 2006-08-21 | Deflector de aire para circuito de refrigeracion para alabe de turbina de gas. |
Country Status (6)
| Country | Link |
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