ES2308476T3 - Pala de turbina con un inserto de refrigeracion por rebote. - Google Patents

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Abstract

Pala de turbina (1), en especial pala directriz para una turbina de gas, que comprende consecutivamente un pie de pala, una región de plataforma (2) y una hoja de pala (2b) con un inserto de refrigeración por rebote (5, 27) en forma de chapa, inserto de refrigeración por rebote (5, 27) que separa un espacio intermedio (22) de un canal de refrigerante (23) y que presenta al menos dos segmentos (30, 32) que se solapan en una región de solape (33, 35) y están situados uno junto al otro, y que están configurados en la región de solape (33, 35) con una sección transversal ondulada, en donde una rendija a obturar, formada por los segmentos (30, 32), presenta una abertura de rendija (38), a través de la cual puede fluir una corriente de fuga desde el canal de refrigerante (23) hasta el espacio intermedio (22), caracterizada porque para obturar la rendija la abertura de rendija (38) discurre en línea recta y la propagación de onda, es decir, al frente de onda de la región de solape (33, 35) en paralelo a la abertura de rendija (38) rectilínea.

Description

Pala de turbina con un inserto de refrigeración por rebote.
La invención se refiere a una pala de turbina refrigerada, que comprende consecutivamente un pie de pala, una región de plataforma y una hoja de pala hueca para alojar un inserto de refrigeración por rebote, el cual presenta al menos dos segmentos que se solapan en una región de solape y están situados uno junto al otro, que forman una rendija con una abertura de rendija. Además de esto la invención se refiere a una turbina de gas conforme a la reivindicación 6.
Del documento JP 2001-14 06 02-A se conoce una pala de turbina de gas refrigerada con insertos de refrigeración por rebote en forma de chapa. Un inserto de refrigeración por rebote dispuesto en la región de la arista trasera de la pala de turbina, con sección transversal triangular, está distanciado de la superficie interior de la pared exterior y dotado de aberturas de refrigeración por rebote. Durante el funcionamiento de la turbina de gas se alimenta con aire de refrigeración la cavidad rodeada por el inserto de refrigeración por rebote, que a continuación sale por las aberturas de refrigeración por impacto e incide sobre la superficie interior de la pared exterior alrededor de la cual se produce circulación caliente exterior, para refrigerar la misma.
Además de esto el documento US 6,439,847 hace patente una pala de turbina con un inserto de una aleación de memoria de forma el cual, para mejorar la refrigeración de la pala de turbina después de superar una temperatura umbral, aumenta el tamaño de un sistema de refrigeración mediante contracción. El inserto cuya forma de sección transversal varía presenta dos extremos de chapa que se solapan, que pueden desplazarse en paralelo a la dirección de circulación de un gas caliente. En una configuración alternativa el documento US 6,439,847 muestra además un inserto ondulado de una aleación de memoria de forma.
El documento US 6,439,847 hace con ello patente una pala de turbina conforme al preámbulo de la reivindicación 1.
Aparte de esto se conoce que los insertos de refrigeración por rebote se componen de dos partes separadas, que se introducen consecutivamente en la cavidad de una pala de turbina. La primera parte está fijada de forma estanca a los gases a la plataforma radialmente interior y la segunda parte a la plataforma radialmente exterior, para evitar pérdidas en la región de alimentación. Las dos partes hacen con ello contacto mutuo en un asiento desplazable plano que se solapa, para hacer posible durante el funcionamiento de la turbina de gas un movimiento relativo.
En el caso de arranque en frío o de funcionamiento transitorio de la turbina de gas se producen diferentes dilataciones térmicas en la pala de turbina de gas, en especial en la pared exterior alrededor de la cual se produce circulación caliente y en el inserto de refrigeración por rebote más frío todavía no calentado por completo o calentado irregularmente. Estas dilataciones que se producen sobre todo en la dirección del eje de pala pueden descargar mecánicamente la región de solape o el asiento desplazable y, de este modo, hacer posible una rendija indeseada entre los dos segmentos adyacentes del elemento de refrigeración por rebote, a través de la cual puede fugarse aire de refrigeración como pérdida por fuga, sin usarse, desde el interior del inserto de refrigeración por rebote.
La tarea de la invención es por ello indicar una pala de turbina que ahorre medio de refrigeración. Además de esto, es tarea de la invención indicar para esto una turbina de gas mejorada de forma correspondiente.
La tarea dirigida a la pala de turbina es resuelta mediante las particularidades de la reivindicación 1 y la tarea dirigida a la turbina de gas mediante las particularidades de la reivindicación 6. En las reivindicaciones subordinadas se indican configuraciones ventajosas.
La solución se basa con ello en el reconocimiento de que mediante el solape ondulado de los dos segmentos aumenta la superficie de solape formada entre ellos y se crea específicamente una región de contacto, con la que hacen contacto los dos segmentos de forma adyacente y de forma estanca respecto a la rendija formada por los mismos.
La forma de onda presenta con ello entre un seno y una cresta de onda un flanco ascendente y entre una cresta y un seno de onda un flanco descendente. La forma de onda formada por los senos y las crestas de onda de los dos segmentos que se solapan discurren aproximadamente en paralelo, de tal modo que entre flancos ascendentes contiguos y/o entre flancos descendentes contiguos se forman en cada caso superficies de contacto, que impiden la corriente de fuga. Esto conduce a un ahorro de medio refrigerante. Aparte de esto conduce la utilización de una pala de turbina de este tipo en una turbina de gas, en funcionamiento, a un aumento del grado de eficacia. Además de esto se produce una movilidad mecánica de los dos segmentos estrechamente adyacentes, que es necesaria para compensar la dilatación térmica del material durante el arranque en frío o el funcionamiento transitorio de la turbina de gas.
Según un perfeccionamiento ventajoso la frecuencia y/o la amplitud de la forma de onda del primer elemento difieren de la frecuencia o amplitud de la forma de onda del segundo elemento. Por medio de esto se garantiza con seguridad que la forma de onda de los dos segmentos formen en la región de solape una rendija en forma de meandro que discurre en paralelo a la misma, es decir, en la dirección de la corriente de fuga. En consecuencia se crea forzosamente una superficie de contacto situada entre dos flancos ascendentes o descendentes que, a pesar de las diferentes dilataciones térmicas del material o de un desplazamiento mutuo, a causa de la fuerza obturadora que actúa en la superficie de contacto, se garantiza una región de solape especialmente estanca. En especial durante la puesta en marcha de la turbina de gas, con la pared exterior de turbina ya caliente y el inserto de refrigeración por rebote relativamente frío, pueden obturarse de este modo con seguridad las regiones de solape.
Especialmente ventajosa es la configuración en la que la frecuencia (y/o amplitud) de la forma de onda del primer elemento se diferencia en un orden de magnitud de máximo \pm 6% de la frecuencia (y/o amplitud) de la forma de onda del segundo elemento. Las frecuencias y las amplitudes deben elegirse con ello de tal modo, que las dilataciones de material condicionadas térmicamente de los elementos no provoquen ningún impedimento mecánico mutuo y, de este modo, garanticen una acción obturadora segura. Además de esto los parámetros de la forma de onda se ajustan al material del inserto de refrigeración por rebote.
El espacio constructivo necesario para la región de solape puede ahorrar especialmente espacio, si la región de solape en la sección transversal no presenta más de cinco periodos de oscilación.
Conforme a un perfeccionamiento especialmente ventajoso el inserto de refrigeración por rebote está configurado en varias piezas. De este modo pueden introducirse consecutivamente las partes que forman el inserto de refrigeración por rebote, partiendo de una punta de pala abierta por arriba, en la hoja de pala hueca. Después de esto están situados los segmentos de las diferentes partes en cada caso de forma adyacente en una región de solape, ya que la dirección de desplazamiento del inserto de refrigeración por rebote discurre perpendicularmente a la propagación de la onda.
La invención se explica con más detalle con base en dibujos. Con ello muestran:
la figura 1 una vista en perspectiva de una pala de turbina con un inserto de refrigeración por rebote,
la figura 2 la vista en detalle de una región de solape del inserto de refrigeración por rebote de la pala de turbina conforme a la figura 1 y
la figura 3 la vista en detalle de una región de solape alternativa del inserto de refrigeración por rebote de la pala de turbina conforme a la figura 1.
Las turbinas de gas y sus modos de funcionamiento son de conocimiento general. La figura 1 muestra una vista en perspectiva de una pala de turbina 1 conforme a la invención con una región de plataforma 2 y con una hoja de pala 2b que se extiende a lo largo de un eje de pala 2a. La hoja de pala 2b muestra al menos una cavidad 3, en la que está previsto un inserto de refrigeración por rebote 5. Además de esto la hoja de pala 2b presenta una arista delantera de pala 9 que recibe una corriente de gas caliente 7 de la turbina de gas, desde la que se extienden una pared lateral de aspiración 11 y una pared lateral de presión 13 hacia una arista trasera de pala 15. La pala de turbina 11 puede ser una pala directriz o una pala motriz. Las superficies internas 19 de las paredes laterales 11, 13 rodean la cavidad 3. La superficie 19 está distanciada del inserto de refrigeración por rebote 5, formando un espacio intermedio 22, mediante varios elementos distanciadores 21 en forma de nervio o circulares. A través del canal de refrigerante 23 rodeado en el interior de los insertos de refrigeración por rebote 5 puede circular un refrigerante. Los insertos de refrigeración por rebote 5 presentan además aberturas de refrigeración por rebote 25, a través de las cuales puede circular en refrigerante que fluye en el canal de refrigerante 23 y después puede rebotar, perpendicularmente a las superficies 19 de las paredes laterales 11, 13, para refrigerar las mismas.
El inserto de refrigeración por rebote 27 está formado con ello, según se mira en la dirección del eje de pala 2a, por dos partes separadas 29, 31, que se solapan en cada caso de forma adyacente con un segmento 30, 32 en una región de solape 33, 35. La región de solape 33, 35 está situada con ello por fuera de la altura media de la hoja de pala.
La parte inferior 31 del inserto de refrigeración por rebote representado en la figura 1 está fijada de forma estanca a los gases a la plataforma inferior y la parte superior 29 a una plataforma superior, no representada, en la región de conexión para evitar pérdidas por fuga.
Debido a que durante el funcionamiento de la turbina de gas la hoja de pala 2b caliente se dilata más en la dirección del eje de pala 2a que el inserto de refrigeración por rebote 27 frío, es necesaria una movilidad dirigida a lo largo del eje de pala 2a de las dos partes fijadas 29, 31 en la región de solape 33, 35.
Las figuras 2 y 3 muestran en cada caso una configuración alternativa de la región de solape 33, 35 en una vista en detalle.
El inserto de refrigeración por rebote 5 está distanciado de la superficie interior 19, formando el espacio intermedio 22. Durante el funcionamiento de la turbina de gas circula alrededor de la pared lateral de aspiración 11 el gas caliente 7. Para refrigerar la pared lateral de aspiración 11 circula el refrigerante 36, desde el canal de refrigerante 23, a través de las aberturas de refrigeración por rebote 25, y rebota refrigerando sobre la superficie interior 19.
En la figura 2 están configurados los dos segmentos 30, 32 con una forma de onda idéntica, es decir, las formas de onda de los dos segmentos 30, 32 de las partes 29, 31 presentan una frecuencia f idéntica y una amplitud A idéntica. Mediante la forma de onda se forma entre los dos segmentos 30, 32 una rendija 37 en forma de meandro con una abertura de rendija 38 rectilínea y paralela a la propagación de onda, es decir, al frente de onda, desde la que fluye una corriente de fuga reducida mediante arremolinamiento, en comparación con una pérdida por fuga en el caso de una región de solape plana según el estado de la técnica. En el caso de una posición de los segmentos 30, 32 desplazada mutuamente con relación a la figura 2 hacia la izquierda o la derecha, es decir a lo largo del eje de pala 2a, los flancos ascendentes 39 o descendentes 40 de los segmentos 30, 32 adyacentes pueden sin embargo, formando una superficie de contacto, también hacer contacto mutuo estanco. Un desplazamiento de los las dos partes 29, 31 perpendicularmente a la misma no es posible a causa de la geometría prefijada de la hoja de pala 2b y del inserto de refrigeración por rebote 5.
La figura 3 muestra la región de solape 33 con los dos segmentos 30, 32 opuestos, que presentan una frecuencia f diferente y una amplitud A diferente. Por medio de esto es posible una holgura en la dirección de la flecha 41, es decir, en paralelo al eje de pala 2a, sin que disminuya la acción obturadora de la región de solape 33. Independientemente de las dilataciones térmicas del inserto de refrigeración por rebote 5 hacen contacto estanco los flancos ascendentes 39 o descendentes 40 de la forma de onda, al menos de un periodo, de los dos segmentos 30, 32, de tal modo que en todo momento se dispone de una superficie de contacto 43 que discurre en paralelo al eje de pala 2a y a la superficie de rendija 38.
En el caso de producirse dilataciones de material o desplazamientos mutuos de los segmentos 30, 32 se traslada la superficie de contacto 43 dentro de la región de solape 33, 35 de un periodo a un periodo adyacente. Por ello está previsto convenientemente un número mínimo de dos periodos en la región de solape 33, 35, para obtener una obturación especialmente segura del canal de refrigerante 23 con respecto al espacio intermedio 22.
Según el requisito también pueden estar previstas, para una refrigeración uniforme de las paredes laterales 11, 13, en la región de solape 33, 35 aberturas de refrigeración por rebote 25, en especial en la región de los senos de onda o de las crestas de onda de los segmentos 30, 32.
La forma de onda no es necesariamente sinusoidal. Una acción igual puede conseguirse también con una forma de onda compuesta por semicírculos o semi-elipses consecutivos. Aparte de esto puede pensarse también en una forma triangular, una forma de diente de sierra o una forma rectangular.
Mediante la acción obturadora mejorada del inserto de refrigeración por rebote 5 en comparación con las superficies de contacto planas del estado de la técnica puede conseguirse un ahorro de aire de refrigeración que, en el caso de una utilización de la pala de turbina en una turbina de gas, conduce a un aumento del grado de eficacia. Igualmente puede transmitirse el solape ondulado conforme a la invención a cada pieza constructiva refrigerada por rebote de una turbina de gas con una chapa de refrigeración por rebote, por ejemplo, a un anillo de guiado opuesto exteriormente a una de las palas motrices o a un escudo térmico de cámara de combustión.
Lista de símbolos de referencia
1
Pala de turbina
2
Región de plataforma
2a
Eje de pala
2b
Hoja de pala
3
Cavidad
5
Inserto de refrigeración por rebote
7
Gas de combustión
9
Arista delantera de pala
11
Pared lateral de aspiración
13
Pared lateral de presión
15
Arista trasera de pala
19
Superficies
21
Elementos distanciadores
23
Canal de refrigerante
25
Aberturas de refrigeración por rebote
27
Inserto de refrigeración por rebote
29, 31
Partes
30, 32
Segmentos
33, 35
Región de solape
37
Rendija
39
Flanco ascendente
40
Flanco descendente
41
Flecha
43
Superficie de contacto.

Claims (6)

1. Pala de turbina (1), en especial pala directriz para una turbina de gas, que comprende consecutivamente un pie de pala, una región de plataforma (2) y una hoja de pala (2b) con un inserto de refrigeración por rebote (5, 27) en forma de chapa, inserto de refrigeración por rebote (5, 27) que separa un espacio intermedio (22) de un canal de refrigerante (23) y que presenta al menos dos segmentos (30, 32) que se solapan en una región de solape (33, 35) y están situados uno junto al otro, y que están configurados en la región de solape (33, 35) con una sección transversal ondulada, en donde una rendija a obturar, formada por los segmentos (30, 32), presenta una abertura de rendija (38), a través de la cual puede fluir una corriente de fuga desde el canal de refrigerante (23) hasta el espacio intermedio (22), caracterizada porque para obturar la rendija la abertura de rendija (38) discurre en línea recta y la propagación de onda, es decir, al frente de onda de la región de solape (33, 35) en paralelo a la abertura de rendija (38) rectilínea.
2. Pala de turbina (1) según la reivindicación 1, caracterizada porque la frecuencia (f) y/o la amplitud (A) de la forma de onda del primer segmento (30) difieren de la frecuencia (f) y/o amplitud (A) de la forma de onda del segundo segmento (32).
3. Pala de turbina (1) según la reivindicación 2, caracterizada porque la frecuencia (f) y/o amplitud (A) de la forma de onda del primer segmento se diferencia en un orden de magnitud de \pm 6% de la frecuencia (f) y/o amplitud (A) de la forma de onda del segundo segmento (32).
4. Pala de turbina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la región de solape (33, 35) no presenta más de 5 periodos de oscilación.
5. Pala de turbina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el inserto de refrigeración por impacto (5) está configurado en varias partes.
6. Turbina de gas con una pala de turbina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5.
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