ES2310706T3 - Dispositivo de ajuste de holgura de una turbina de gas con equilibrado de los caudales de aire. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de ajuste de la holgura en el vértice de los álabes móviles de un rotor de turbina de gas, que comprende: tres rampas anulares de circulación de aire (14) montadas circunferencialmente alrededor de un cárter anular (12) de un estátor de la turbina y destinadas a descargar aire en el citado cárter (12) con el fin de modificar su temperatura; al menos un tubo colector de aire (20) dispuesto, al menos en parte, alrededor de las rampas de circulación de aire (14); al menos un tubo de alimentación de aire (22) para alimentar de aire el tubo colector de aire (20); y al menos un conducto de aire (24) que se abre en el conducto de aire (20) y que desemboca en las rampas de circulación de aire (14), caracterizado porque comprende dos tubos colectores de aire (20), unidos, cada uno, a tres conductos de aire (24) que desembocan, cada uno, en las tres rampas de circulación de aire (14), estando provisto cada conducto de aire (24) de un diafragma (30) de equilibrado del caudal de aire que le atraviesa, estando individualizadas las características de cada diafragma en función del conducto de aire (24) en el cual está colocado el citado diafragma.
Description
Dispositivo de ajuste de holgura de una turbina
de gas con equilibrado de los caudales de aire.
La presente invención corresponde al ámbito
general del ajuste de la holgura en el vértice de los álabes móviles
de una turbina de gas. Ésta se refiere de modo más particular a un
dispositivo de ajuste de una turbina de alta presión de
turbomáquina equipado con medios de equilibrado de los caudales de
aire.
Una turbina de gas, tal como una turbina de alta
presión de turbomáquina, comprende una pluralidad de álabes móviles
dispuestos en el paso de los gases calientes procedentes de una
cámara de combustión. Los álabes móviles de la turbina están
rodeados, en toda la circunferencia de la turbina, por un estátor
anular. Este estátor define una de las paredes de la vena de flujo
de los gases calientes a través de la turbina.
Con el fin de aumentar el rendimiento de la
turbina, se conoce reducir todo lo posible la holgura existente
entre el vértice de los álabes móviles de la turbina y las partes
del estátor que están enfrente de estos.
Para llegar a ello, se han elaborado medios de
control de la holgura en el vértice de los álabes. Tales medios se
presentan generalmente en forma de conductos anulares que rodean el
estátor y que son recorridos por el aire tomado de otras partes de
la turbomáquina. De acuerdo con el régimen de funcionamiento de la
turbina, se inyecta aire en la superficie externa del estátor con
el fin de modificar su temperatura, y provocar, así, dilataciones o
contracciones térmicas del cárter que sean aptas para hacer variar
su diámetro.
Los dispositivos de control conocidos hasta
ahora no permiten siempre obtener una gran uniformidad de
temperatura en toda la circunferencia del estátor. Una falta de
homogeneidad de temperatura genera distorsiones del estátor que son
particularmente perjudiciales para el rendimiento y la duración de
vida útil de servicio de la turbina de gas.
El documento EP 1 205 637 describe un
dispositivo de ajuste de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1.
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La presente invención pretende, por tanto,
paliar tales inconvenientes, proponiendo un dispositivo de ajuste
de la holgura en el vértice de los álabes de una turbina de gas que
permita equilibrar los caudales de aire en el dispositivo de ajuste
con el fin de limitar las heterogeneidades térmicas del estátor de
la turbina.
A tal efecto, la invención tiene por objeto un
dispositivo de ajuste de la holgura en el vértice de los álabes
móviles de un rotor de turbina de gas de acuerdo con la
reivindicación 1.
El equilibrado del caudal de aire que atraviesa
el conducto de aire permite, así, limitar las heterogeneidades
térmicas a nivel del cárter de la turbina. En efecto, es posible
determinar las pérdidas de cargas (a nivel de la alimentación de la
rampa o de las rampas de circulación de aire) para equilibrar los
caudales de aire y, por tanto, las características del
diafragma.
Cada diafragma está dispuesto, ventajosamente, a
nivel de una entrada del conducto de aire con el fin de crear
pérdidas de carga suplementarias. Éste puede presentarse en forma de
un anillo de diámetro interno inferior al diámetro interno del
conducto de aire.
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Otras características y ventajas de la presente
invención se deducirán de la descripción hecha a continuación,
refiriéndose a los dibujos anejos, que ilustran un ejemplo de
realización desprovisto de cualquier carácter limitativo. En las
figuras:
- la figura 1 es una vista en perspectiva de un
dispositivo de ajuste de acuerdo con la invención; y
- la figura 2 ilustra el emplazamiento de los
medios de equilibrado de los caudales de aire del dispositivo de la
figura 1.
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Las figuras 1 y 2 ilustran un dispositivo de
ajuste 10 de acuerdo con la invención. Un dispositivo de ajuste de
este tipo puede aplicarse a cualquier turbina de gas en la que sea
necesario el control de la holgura en el vértice de los álabes
móviles. Este dispositivo se aplica de modo muy particular a una
turbina de alta presión de turbomáquina.
En las figuras, el dispositivo de ajuste 10 está
montado alrededor de un cárter anular 12 que forma parte del
estátor de la turbina. Este cárter 12 de eje longitudinal
X-X rodea una pluralidad de álabes móviles (no
representados) que forman el rotor de la turbina.
El dispositivo de ajuste 10 tiene la función de
controlar la holgura que existe entre el vértice de los álabes
móviles de la turbina y las partes del estátor que están enfrente de
estos.
Los álabes móviles de la turbina están rodeados
por una pluralidad de segmentos de anillo (no representados) que
están montados en el cárter 12 por intermedio de tirantes (no
representados). Así, las partes del estátor que están enfrente del
vértice de los álabes móviles están formadas por la superficie
interna de los segmentos de anillo.
El dispositivo de ajuste 10 de las figuras 1 y 2
se compone de tres rampas de circulación de aire 14; una rampa
interna 14a, una rampa central 14b y una rampa externa 14c. Estas
rampas están montadas circunferencialmente en la superficie externa
del cárter 12 por intermedio de reglas de fijación 16.
Las rampas de circulación de aire 14 están
espaciadas axialmente una de otra y son sensiblemente paralelas
entre sí. Éstas están dispuestas a una y otra parte de dos aletas (o
resaltos) anulares 18 que se extienden radialmente hacia el exterior
del cárter 12.
Las rampas 14 están provistas de una pluralidad
de perforaciones 19 dispuestas enfrente de la superficie externa
del cárter 12 y de las aletas 18. Estas perforaciones 19 permiten
que el aire que circula por el interior de las rampas 14 se
descargue en el cárter 12 con el fin de modificar su
temperatura.
Por otra parte, como está ilustrado en la figura
1, las rampas de circulación de aire 14 pueden estar segmentadas en
varios sectores angulares de rampas distintos (en número de seis en
la figura 1) y repartidos regularmente alrededor de toda la
circunferencia del cárter 12.
El dispositivo de ajuste 10 comprende, además,
dos tubos colectores de aire 20 que rodean, al menos en parte, las
rampas de circulación de aire 14. Los tubos colectores de aire 20
están destinados a alimentar de aire las rampas de circulación de
aire 14.
Cada tubo colector de aire 20 está alimentado de
aire por al menos un tubo de alimentación de aire 22. El tubo de
alimentación de aire 22 está unido a zonas de la turbomáquina en las
cuales puede tomarse aire para alimentar el dispositivo de ajuste
10. A título de ejemplo, las zonas de toma de aire pueden ser una o
varias etapas de un compresor de la turbomáquina.
La toma de aire en las zonas de la turbomáquina
previstas a tal efecto puede ser regulada por una válvula de mando
(no representada) interpuesta entre estas zonas de toma de aire y el
tubo de alimentación de aire 22. Una válvula de este tipo permite
mandar el dispositivo de ajuste 10 en función del régimen de
funcionamiento de la turbina.
El dispositivo de ajuste 10 comprende, además,
tres conductos de aire 24 que se abren en el tubo colector de aire
20 y que desembocan en las rampas de circulación de aire 14 con el
fin de alimentarlas de aire.
Está previsto un conducto de aire 24 por sector
angular de rampas de circulación de aire 14, es decir, que el
dispositivo de ajuste comprende seis conductos de aire 24
regularmente repartidos alrededor de toda la circunferencia del
cárter 12.
Como el dispositivo de ajuste 10 de esta figura
1 comprende un tubo de alimentación de aire 22 que alimenta dos
tubos colectores de aire 20 distintos, cada tubo colector de aire 20
se extiende circunferencialmente alrededor de aproximadamente una
mitad de círculo y, así, alimenta tres conductos de aire 24. Estos
tres conductos de aire 24 se distinguen denominándolos,
respectivamente: primer conducto de aire 24a para el conducto que
está más próximo al tubo de alimentación de aire 22, segundo
conducto de aire 24b para el conducto colocado directamente aguas
abajo del primer conducto 24a, y tercer conducto de aire 24c para el
conducto más alejado del tubo de alimentación de aire 22.
Cada conducto de aire 24 se presenta en forma de
un cilindro, por ejemplo metálico, que tiene bordes 26 que se
introducen en aberturas laterales 28 de las rampas de circulación de
aire 14. Los conductos de aire 24 están, así, soldados a las rampas
14.
De acuerdo con la invención, cada conducto de
aire 24 está provisto de medios para equilibrar el caudal de aire
que le atraviesa.
Tales medios se presentan en forma de un
diafragma 30 dispuesto en la entrada del conducto de aire 24, es
decir, aguas arriba de las rampas de circulación de aire 14 con
respecto a la dirección de circulación del aire que proviene del
tubo colector de aire 20. De modo más particular, el diafragma 30
está colocado aguas arriba de la rampa interna 14a.
La presencia de este diafragma 30 en cada
conducto de aire 24a, 24b y 24c permite equilibrar los caudales de
aire que provienen del tubo colector de aire 20 y que alimentan las
rampas de circulación de aire 14 en las cuales desemboca el conducto
de aire.
En la figura 2, el diafragma 30 se presenta en
forma de un anillo (o arandela) metálico que, por ejemplo, está
soldado a las paredes internas del conducto de aire 24 y cuyo
diámetro interno d1 que representa la sección de caudal de aire es
más pequeño que el diámetro interno d2 del conducto de aire 24.
Las características del diafragma 30 de
equilibrado de los caudales de aire (tales como su diámetro interno
d1 con respecto al diámetro d2 del conducto de aire 24) se
determinan con el fin de generar pérdidas de carga suplementarias a
nivel de la entrada de cada conducto de aire 24 alimentado por éste.
En efecto, no siendo idénticas las pérdidas de carga para cada
conducto de aire 24 alimentado por un mismo tubo colector 20, las
características de los diafragmas 30 se modelan para generar
pérdidas de carga suplementarias a nivel de la entrada de cada
conducto de aire 24 con el fin de obtener un equilibrio en la
repartición de los caudales de aire.
Se describirá ahora el proceso de modelación de
las características de los diafragmas necesarios para cada conducto
de aire 24 a partir de una modelación de los caudales de aire en un
dispositivo de ajuste de la técnica anterior.
La tabla 1 que a continuación se indica da, para
un dispositivo de ajuste de la técnica anterior (es decir,
desprovisto de medios de equilibrado de los caudales de aire), la
repartición de los caudales de aire en los tres conductos de aire
24a, 24b, 24c alimentados por un mismo tubo colector de aire 20 y en
cada rampa de circulación de aire 14 de un mismo sector de rampa
alimentado por cada uno de estos conductos de aire. Estos caudales
de aire se modelan para un régimen de funcionamiento de crucero de
una turbomáquina cuya turbina de alta presión está equipada con un
dispositivo de ajuste de holgura.
En relación con la tabla 1, los resultados de la
ventilación ponen en evidencia una heterogeneidad en la repartición
de los caudales de aire, por una parte a la entrada de cada conducto
de aire 24a, 24b y 24c (que llega al 6%) y, por otra, entre cada
sector de rampas de circulación de aire (que llega al 5,8%). El
tercer conducto de aire 24c presenta una presión de alimentación de
aire superior a los otros dos conductos 24a, 24b debido a la
disminución de la velocidad de circulación de aire en el tubo
colector de aire. De la heterogeneidad de los caudales de aire
entre cada conducto de aire, resulta que el enfriamiento del cárter
12 no es homogéneo. Pueden aparecer, por tanto, gradientes de
temperatura que provoquen distorsiones mecánicas.
A partir de tales resultados, es posible, así,
modelar las pérdidas de carga suplementarias que es necesario
aplicar para cada conducto de aire 24 con el fin de obtener una
homogeneidad en la repartición de los caudales de aire. La
modelación de las perdidas de carga suplementarias permite entonces
calcular las características de los diafragmas 30 (especialmente su
diámetro interno d1 con respecto al diámetro interno d2 de cada
conducto de aire 24).
Por ejemplo, a partir de los datos modelados de
la tabla I, se observa que para el segundo conducto de aire 24b, es
necesario generar una pérdida de carga suplementaria del orden de
3,8. Para generar una pérdida de carga de este tipo, hay que poner
un diafragma cuya sección de perforación F1 permita verificar: F1/F2
= 0,51 con F1 sección de perforación o de salida de aire del
diafragma y F2 sección de salida de aire del conducto de aire 24b.
Para un diámetro d2 del conducto de aire 24b del orden de 39,8 mm,
el diámetro d1 del diafragma 30 que hay que colocar a la entrada
del segundo conducto de aire 24b es entonces del orden de 28,4 mm
para un diámetro d2 del conducto de aire 24b del orden de 39,8
mm.
Siempre a partir de los datos modelados de la
tabla 1, se observa igualmente que para el tercer conducto de aire
24c, es necesario generar una pérdida de carga suplementaria del
orden de 4,5. Igual que se describió anteriormente, una pérdida de
carga de este tipo puede obtenerse con un diafragma cuya sección de
perforación F1 permita verificar: F1/F2 = 0,49 con F1 sección de
perforación o de salida de aire del diafragma y F2 sección de
salida de aire del conducto de aire 24c. Para un diámetro d2 del
conducto de aire 24c del orden de 39,8 mm, el diámetro d1 del
diafragma 30 que hay que colocar a la entrada del segundo conducto
de aire 24 es entonces del orden de 27,9 mm.
Así, las características de cada diafragma 30
colocado en cada conducto de aire 24, que se determinan a partir de
la modelación de pérdidas de carga suplementarias que hay que
generar, están individualizadas para cada conducto de aire. Los
resultados de la colocación de tales diafragmas se expresan en la
tabla II que a continuación se indica.
En esta tabla II, se constata que, gracias a la
colocación de diafragmas en los conductos de aire 24a, 24b y 24c,
las heterogeneidades en la repartición de los caudales de aire son
inferiores al 1% entre cada conducto de aire, lo que es
despreciable. Se obtiene, así, una homogeneidad en temperatura del
cárter 12.
Así, es posible equilibrar los caudales de aire
que circulan en cada sector angular de rampas de circulación de
aire 14 añadiendo un diafragma de equilibrado individualizado de los
caudales de aire a la entrada del conducto de aire que desemboca en
este sector angular de rampas.
En otras palabras, el equilibrado de los
caudales de aire puede realizarse de manera individual para cada
sector de rampas de circulación de aire 14 adaptando la sección del
diafragma en función de las necesidades para una sección de rampa
particular. Cada conducto de aire 24 puede estar provisto, así, de
un diafragma 30 cuyas características (sección de salida de aire)
son diferentes de un sector de rampas a otro.
Claims (4)
1. Dispositivo de ajuste de la holgura en el
vértice de los álabes móviles de un rotor de turbina de gas, que
comprende:
tres rampas anulares de circulación de aire (14)
montadas circunferencialmente alrededor de un cárter anular (12) de
un estátor de la turbina y destinadas a descargar aire en el citado
cárter (12) con el fin de modificar su temperatura;
al menos un tubo colector de aire (20)
dispuesto, al menos en parte, alrededor de las rampas de circulación
de aire (14);
al menos un tubo de alimentación de aire (22)
para alimentar de aire el tubo colector de aire (20); y
al menos un conducto de aire (24) que se abre en
el conducto de aire (20) y que desemboca en las rampas de
circulación de aire (14),
caracterizado porque comprende dos tubos
colectores de aire (20), unidos, cada uno, a tres conductos de aire
(24) que desembocan, cada uno, en las tres rampas de circulación de
aire (14), estando provisto cada conducto de aire (24) de un
diafragma (30) de equilibrado del caudal de aire que le atraviesa,
estando individualizadas las características de cada diafragma en
función del conducto de aire (24) en el cual está colocado el citado
diafragma.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1, caracterizado porque cada diafragma (30) está dispuesto a
nivel de una entrada del conducto de aire (24) de modo que crea
pérdidas de carga suplementarias.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizado porque cada diafragma (30) se presenta en
forma de un anillo de diámetro interno (d1) inferior al diámetro
interno (d2) del conducto de aire (24).
4. Turbomáquina que comprende al menos un
dispositivo de ajuste de la holgura del vértice de los álabes
móviles de un rotor de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3.
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