ES2304233T3 - Tobera de estator para turbina de gas. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo para el posicionado de toberaS de una etapa de estator y para enfriar discos de rotor en turbinas de gas, aplicable a segmentos (40) de tobera, que consiste en varias aletas (11, 38, 39), en el que cada uno de los citados segmentos (40) de tobera está conectado en la parte superior a un anillo exterior (12) para contener aire de enfriamiento, y está situado en la base sobre un anillo interior ( 23), el cual hace posible disponer los citados segmentos (40) de tobera circunferencialmente en relación al eje de la citada turbina de gas, para cada aleta (11, 38, 39) del citado segmento (40) de toberas se proporciona al menos un tubo (17) que está insertado en un conducto (32) correspondiente que se encuentra presente dentro de las citadas aletas (11, 38, 39), que sitúa un área (16) en la que circula el citado aire de enfriamiento en comunicación con el disco (37) de alta presión y con el disco (55) de baja presión, que se caracteriza porque el citado anillo exterior (12) para contener el aire de enfriamiento está asociado a un anillo móvil (19), el cual hace posible compensar las expansiones térmicas diferenciales que se producen entre el alojamiento (14) de turbina y el citado anillo exterior (12).

Description

Tobera de estator para turbina de gas.

La presente invención se refiere a un dispositivo para el posicionado de toberas de una etapa de estator y para el enfriamiento de discos de rotor en turbinas de gas.

Como es conocido, las turbinas de gas son máquinas que consisten en un compresor y en una turbina que tiene una o más etapas, en las que estos componentes están conectados entre sí por medio de un árbol rotativo, y en las que hay provista una cámara de combustión entre el compresor y la turbina.

Para presurizar el compresor, se le suministra aire obtenido del ambiente exterior.

Hay una admisión de combustible en la cámara de combustión, que se enciende por medio de las bujías correspondientes con el fin de producir la combustión, que está diseñada para producir un incremento de la temperatura y de la presión y, por lo tanto, de la entalpía del gas.

A continuación, a través de los conductos correspondientes, el gas a alta presión y alta temperatura, alcanza las distintas etapas de la turbina, la cual transforma la entalpía del gas en energía mecánica que es disponible a un usuario.

En las turbinas de dos etapas, el gas es procesado en la primera etapa de la turbina, en condiciones de temperatura y de presión que son bastante elevadas y allí sufre una expansión inicial, mientras que en la segunda etapa de la turbina, sufre una segunda expansión en condiciones de temperatura y de presión que son inferiores a la de los casos previos.

También se conoce que, para poder obtener el mejor rendimiento de una turbina de gas determinada, es necesario que la temperatura del gas sea lo más alta posible; sin embargo los valores máximos de temperatura que se pueden obtener en la utilización de la turbina están limitados por la resistencia de los materiales utilizados.

Para poder aclarar los problemas técnicos resueltos por la presente invención, a continuación se proporciona una breve descripción del sistema de toberas de estator y álabes de rotor de las distintas etapas de una turbina de gas de acuerdo con la técnica conocida.

Se utiliza la tobera de la primera etapa para suministrar el flujo de gases quemados en condiciones apropiadas a la admisión del rotor de la primera etapa y, más en particular, para guiarlo de forma apropiada al interior de las aberturas de los álabes de rotor; evitando así que el flujo se encuentre directamente con la superficie dorsal o convexa y con la superficie ventral o cóncava de los álabes.

La serie de toberas para la segunda etapa de una turbina de gas consiste en un cuerpo anular, el cual a su vez puede estar dividido en segmentos de tobera, consistiendo cada segmento generalmente en toberas que son definidas o formadas por tres aletas, las cuales tienen un perfil correspondiente en forma de ala.

Esta serie de toberas para la segunda etapa es en forma de un anillo, y está conectado en el exterior al alojamiento de turbina, y en el interior a un soporte anular correspondiente.

En lo que a esto se refiere, se debe hacer notar que un primer problema técnico de los estatores consiste en el hecho de que el estator está sometido a cargas a alta presión, que están producidas por la reducción de presión entre la admisión y la salida de la tobera.

Además, los estatores están sometidos a niveles de alta temperatura, producidos por el flujo de gases calientes obtenidos en la cámara de combustión y en la etapa anterior, y también por los flujos de aire frío que se introducen en la turbina, para poder enfriar las partes que están sujetas a la tensión máxima desde los puntos de vista térmico y mecánico.

Un segundo problema que es particularmente común de acuerdo con la técnica conocida es el de garantizar un soporte óptimo y el bloqueo de los segmentos de la tobera de la segunda etapa, lo cual equilibra las fuerzas que tienden a desplazar y hacer rotar la tobera.

Además, los estatores convencionales tienen sistemas de soporte y de bloqueo que no permiten el desmontaje fácil, en el caso en que esto sea necesario para poder realizar operaciones de mantenimiento o reemplazo de una o más aletas de estator gastadas o dañadas.

Otro problema consiste en el hecho de que los estatores están sometidos a las vibraciones transmitidas por los álabes de estator durante el funcionamiento de la máquina.

El documento EP 0.864.728 describe un sistema de suministro de aire de enfriamiento de álabes para una turbina de gas.

El documento US 4.804.310 describe un aparato de control de holguras para una máquina de flujo de fluido de álabes.

El documento WO 98/58158 describe un dispositivo para obturar los álabes de estator de turbinas de gas.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo para el posicionado de la tobera de una etapa de estator, y para enfriar discos de rotor en turbinas de gas, que sea particularmente fiable, para poder eliminar de forma óptima los problemas que se han mencionados anteriormente.

Otro objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo para el posicionado de la tobera de una etapa de estator, y para enfriar discos de rotor en turbinas de gas, que tenga una estructura sencilla y compacta.

Otro objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo que tenga un bajo coste, y que consista en un número reducido de piezas componentes.

Todavía otro objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo para el posicionado de la tobera de una etapa de estator en turbinas de gas que permita el acoplamiento y desmontaje fácil de los álabes de estator, como se requiera, para poder mantener y reemplazar opcionalmente los mismos.

Un objetivo adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que permite una resistencia óptima a las vibraciones que afectan a los álabes de estator de baja presión, evitando así que estas vibraciones sean transferidas a los otros elementos del motor.

Un objetivo adicional de la invención es proporcionar un dispositivo que haga posible compensar la expansión térmica a la que están sujetos los segmentos de la tobera.

Otro objetivo de la invención es proporcionar un dispositivo que sea seguro, sencillo y económico.

Se consiguen estos y otros objetivos por medio de un dispositivo para el posicionado de tobera de una etapa de estator y para enfriar discos de rotor en turbinas de gas, como se define en la reivindicación 1 adjunta.

De acuerdo con la presente invención, el anillo exterior que contiene el aire de enfriamiento está asociado a un anillo móvil, lo cual hace posible compensar la expansión térmica diferencial que se produce entre el alojamiento de turbina y el anillo exterior.

De acuerdo con otra realización preferente de la presente invención, el anillo interior tiene receptáculos para pasadores, en la que se utilizan estos pasadores para el posicionado de los segmentos de tobera.

De acuerdo con una realización preferente adicional de la presente invención, los anillos de obturación correspondientes están provistos entre los pasadores y el extremo inferior de las aletas del segmento de tobera.

Además, los pasadores derechos e izquierdos están montados de manera que tengan juego radial que es mayor que el juego relacionado con el pasador central.

De acuerdo con otra realización preferente de la presente invención, el anillo interior tiene conductos que comunican respectivamente con los tubos y con el disco de primera etapa y con el disco de segunda etapa.

Además, los pasadores tienen orificios para permitir la comunicación por el aire de enfriamiento entre los tubos y los conductos del anillo interior.

Finalmente, de acuerdo con la presente invención, se evita la extracción de los pasadores del anillo interior mediante el uso de segmentos correspondientes, los cuales están insertados en una ranura circunferencial en el anillo interior, y están formados de manera que tengan proyecciones que están dobladas dentro de orificios presentes en la parte inferior de los citados pasadores.

Finalmente, el anillo interior tiene una estructura de panal en su interior que está en interfaz con los dientes de obturación en el rotor, que pertenece a la etapa de alta presión.

Se definen características adicionales de la invención en las reivindicaciones que se adjuntan a la presente solicitud de patente.

Se harán evidentes ventajas y objetivos adicionales de la presente invención con el examen de la descripción que sigue y de los dibujos que se adjuntan, proporcionadas únicamente a título de ejemplo no limitativo, y en los cuales:

- la figura 1 muestra una vista en sección transversal de la porción central de un segmento de aletas de estator de una tobera de segunda etapa para turbinas de gas, a la cual se acopla el dispositivo para el posicionado y el enfriamiento de acuerdo con la presente invención; y

- la figura 2 muestra una vista en sección transversal parcial de un segmento de aletas de estator perteneciente a una tobera de estator, y que ilustra el sistema de posicionado en su totalidad.

Con referencia en particular a las figuras mencionadas anteriormente, se indica en su totalidad el dispositivo para el posicionado y enfriamiento de tobera de una etapa de estator en turbinas de gas por medio del número de referencia 10.

Como es conocido, la serie de tobera para la segundad etapa de una turbina de gas consiste en un cuerpo anular, que a su vez puede ser dividido en segmentos de tobera, indicados en su totalidad por el número de referencia 40 en la figura 2.

De acuerdo con una posible realización de la presente invención, que se describe a título de ejemplo ilustrativo pero que no limita su uso, el cuerpo anular tiene dieciséis segmentos de tobera; sin embargo, también es posible aplicar las enseñanzas de la presente descripción de patente a cuerpos anulares que tengan un número diferente de segmentos de tobera.

Cada segmento consiste en toberas que están determinadas o definidas mediante tres aletas 11, 38 y 39, las cuales tienen un perfil apropiado en forma de ala.

Cada segmento 40 de tobera está conectado al alojamiento 14 de turbina por medio de una ranura 60, que contiene un orificio para un pasador 61.

Cada segmento 40 de tobera está conectado en la parte superior a un anillo exterior 12, que actúa como un recipiente para el aire de enfriamiento, y está situado en la base en un anillo interior 23, lo cual hace posible disponer los segmentos 40 de tobera circunferencialmente alrededor del eje de la turbina de gas.

Además, cada uno de los segmentos 40 de tobera tiene una proyección 36 que se aplica a una ranura correspondiente en el alojamiento 14 de turbina, y un borde 35 que se aplica al lateral opuesto del alojamiento 14 de turbina.

Entre el anillo interior 23 y el disco 37 de primera etapa y el disco 55 de segunda etapa de la turbina de gas se proporcionan espacios que se indican respectivamente por las referencias numéricas 56 y 24 en la figura 1, que permiten la circulación de aire de enfriamiento.

Se toma este aire de enfriamiento del espacio 61, en el cual se encuentra a una presión P1, y se le transporta en la dirección indicada por las flechas F1 y F2 a los espacios 56 y 24, por medio de tubos 17 y 18 insertados en conductos correspondientes, tales como el conducto 32 mostrado en la figura 1, que están presentes dentro de las aletas 11, 38 y 39, y que se describirán en más detalle en la presente memoria descriptiva y a continuación.

Se debe hacer notar, entre otras cosas, que el anillo exterior 12 hace posible aislar el espacio 16 del espacio 15 del segmento 40 de tobera y, así suministrar a todos los tubos de todas las aletas 11, 38 y 39 que pertenecen a todos los segmentos 40, por medio de un número reducido de orificios de conducción de aire de enfriamiento provistos en el alojamiento 14 de turbina.

En los segmentos 40 de tobera, los gases están a una temperatura que es más alta que la temperatura del aire en el espacio 16, y por lo tanto el anillo exterior 12 también hace posible limitar el calentamiento indeseable del aire presente en el espacio 16.

Con referencia a la figura 1, el extremo de la derecha del anillo exterior 12 está obturado en contacto con la superficie del alojamiento 14 de turbina, para garantizar esta obturación.

Además, para poder tener en consideración estas diferencias de temperatura, el anillo exterior 12 que va a contener el aire de enfriamiento está asociado a un anillo móvil 19, lo cual hace posible compensar las expansiones térmicas diferenciales entre el alojamiento 14 de turbina y el mismo anillo exterior 12.

Por lo tanto, los tubos 17 y 18 sitúan el área 16, en la que circula el aire de enfriamiento, en comunicación con el disco 37 de alta presión y el disco 55 de baja presión.

Con referencia a la figura 1, se puede apreciar que con el fin de mejorar este sistema de circulación de aire de enfriamiento, el anillo exterior 12 tiene cuerpos anulares 45 de recipiente que cooperan con casquillos 13, para acomodar los extremos del tubo 17, en el lado en el que se dispone el alojamiento 14 de turbina.

Además, en el extremo opuesto de los segmentos 40 de tobera, el anillo interior 23 tiene receptáculos para pasadores 25, 41 y 42, que permiten el posicionado de los segmentos 40 de tobera.

Más en particular, con referencia únicamente a la figura 1, el pasador 25 acomoda el extremo final del tubo 17 dentro de una cavidad propia 29.

Se utiliza un sistema similar para acomodar el extremo final de los tubos asociados con las aletas 38 y 39, mediante pasadores correspondientes 41 y 42.

En lo que a esto se refiere, se puede hacer notar que los anillos de obturación 30, 43 y 44 están provistos entre los pasadores 25, 41 y 42 y los extremos inferiores 33, 49 y 50 de las aletas 11, 38 y 39.

Con referencia a la figura 1, se puede apreciar que el anillo interior 23 tiene una proyección circunferencial 33, que se apoya en una porción extrema 34 del segmento 40 de tobera, interpuesta entre este último y el pasador 25.

Una característica importante de la presente invención consiste en el hecho de que los pasadores 41 y 42 de la derecha y de la izquierda están montados con un juego radial mayor que el pasador central 25.

Este hecho es particularmente importante porque hace posible compensar la expansión del segmento 40 de tobera en relación con el anillo interior 23.

Con respecto al transporte del aire de enfriamiento, se puede apreciar que el anillo interior 23 tiene un conducto 20 que comunica con el tubo 17; un conducto similar que comunica con el tubo 18, de manera que el aire de enfriamiento alcanza respectivamente el disco 37 de primera etapa y el disco 55 de segunda etapa.

En lo que a esto se refiere, el pasador 25 tiene un orificio 28 para permitir la comunicación del tubo 17 con el conducto 20.

Se utiliza un sistema similar para permitir la
comunicación del aire de enfriamiento con los otros tubos que están asociados a las aletas 38 y 39.

Se evita la extracción de los pasadores 25 del anillo interior 23 por los segmentos 59 que están insertados en una ranura circunferencial 52 en el anillo interior 23.

Los segmentos 59 están formados de manera que tengan proyecciones 53, las cuales están dobladas dentro de orificios 27 presentes en la base del pasador 25.

Finalmente, el anillo interior 23 tiene una estructura de panal 22 que está provista de dientes 45 de obturación en el rotor 37 de la etapa de alta presión.

Durante el funcionamiento de la turbina de gas, el flujo de gas a alta temperatura es interceptado por los segmentos 40 de tobera, y transportado por estos últimos a los álabes de rotor de segunda etapa.

Sin embargo, el aire de enfriamiento presente en el espacio 16 tiene una temperatura que está aislada de los gases más calientes, y es transportado por medio de los tubos y los pasadores debajo de los conductos, lo cual hace que entre en contacto con el disco 37 de alta presión y con el disco 55 de baja presión.

Se compensa la expansión térmica de los segmentos 40 de tobera por el juego incrementado proporcionado a los pasadores laterales.

La descripción que se proporciona hace evidente las características y ventajes del dispositivo para el posicionado y enfriamiento de las toberas de una etapa de estator en turbinas de gas, que es el sujeto de la presente invención.

Se podrá apreciar que se pueden proporcionar muchas variantes del dispositivo para el posicionado y enfriamiento de tobera de una etapa de estator en turbinas de gas, que es el sujeto de la presente invención, sin separarse de los principios de novedad inherentes en el concepto de la invención.

Finalmente, se apreciará que cualquier material, forma y dimensión de los detalles ilustrados pueden ser utilizados como se requiere en la realización práctica de la invención, y pueden ser reemplazados por otros que sean técnicamente equivalentes.

Claims (12)

1. Un dispositivo para el posicionado de toberas de una etapa de estator y para enfriar discos de rotor en turbinas de gas, aplicable a segmentos (40) de tobera, que consiste en varias aletas (11, 38, 39), en el que cada uno de los citados segmentos (40) de tobera está conectado en la parte superior a un anillo exterior (12) para contener aire de enfriamiento, y está situado en la base sobre un anillo interior ( 23), el cual hace posible disponer los citados segmentos (40) de tobera circunferencialmente en relación al eje de la citada turbina de gas, para cada aleta (11, 38, 39) del citado segmento (40) de toberas se proporciona al menos un tubo (17) que está insertado en un conducto (32) correspondiente que se encuentra presente dentro de las citadas aletas (11, 38, 39), que sitúa un área (16) en la que circula el citado aire de enfriamiento en comunicación con el disco (37) de alta presión y con el disco (55) de baja presión, que se caracteriza porque el citado anillo exterior (12) para contener el aire de enfriamiento está asociado a un anillo móvil (19), el cual hace posible compensar las expansiones térmicas diferenciales que se producen entre el alojamiento (14) de turbina y el citado anillo exterior (12).

2. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado anillo exterior (12) tiene cuerpos (45) de contenedor anulares que cooperan con casquillos (13), para acomodar los extremos que se encuentran el lateral del alojamiento (14) de la turbina de los citados tubos (17, 18).

3. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque cada uno de los citados segmentos (40) de tobera tiene una proyección (36) que se aplica a una ranura correspondiente en el alojamiento (14) de turbina, y un borde (35) que se aplica al lateral opuesto del citado alojamiento (14) de turbina.

4. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado anillo interior (23) tiene receptáculos para pasadores (25, 41, 42), en EL que los citados pasadores (25, 41, 42) se utilizan para posicionar los citados segmentos (40) de tobera.

5. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 4, que se caracteriza porque los citados pasadores (25, 41, 42) acomodan el extremo final de los tubos (17, 18) de transporte de aire de enfriamiento, dentro de una cavidad (29).

6. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 4, que se caracteriza porque los anillo (30, 43, 44) de obturación están provistos entre los citados pasadores (25, 41, 42) y el extremo inferior (33, 49, 50) de las citadas aletas (11, 38, 39).

7. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque ambos el citado pasador (41) de obturación de la derecha así como el citado pasador (42) de obturación de la izquierda están montados de manera que tengan un juego radial mayor que el del citado pasador central (25).

8. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado anillo interior (23) tiene una proyección circunferencial (33), en el que la citada proyección se apoya en una porción extrema (34) del segmento (40) de tobera, que está interpuesta entre esta última y el citado pasador (25).

9. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque el citado anillo interior (23) tiene conductos (20) que comunican respectivamente con los tubos (17, 18) y con el citado disco (37) de primera etapa y con el citado disco (55) de segunda etapa.

10. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque los citados pasadores (25, 41,42) tienen una pluralidad de orificios (28) para permitir la citada comunicación de los tubos (17, 18) con los citados conductos (20).

11. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de toberas de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque se evita la extracción de los citados pasadores (25, 41, 42) del citado anillo interior (23) por medio de segmentos (59), insertados en una ranura circunferencial (52) en el anillo interior (23), que están formados de manera que tengan proyecciones (53) que están dobladas dentro de los orificios (27) presentes en la base de los citados pasadores (25, 41, 42).

12. Dispositivo para el posicionado y enfriamiento de toberas de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque el citado anillo interior (23) tiene en su interior un estructura de panal (22) que se encuentra en interfaz con los dientes (45) de obturación que pertenecen al disco (37) de la etapa de alta presión.