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.
- 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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