ES2311201T3 - Disposicion de lenguetas de estanqueidad para una camisa de una turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Conjunto de anillo fijo que forma una envuelta de rotor de una turbina de gas, comprendiendo el conjunto de anillo fijo una pluralidad de segmentos (16, 18) cuyas caras laterales (30, 40) adyacentes están puestas una a continuación de otra con interposición de medios de estanqueidad, comprendiendo los medios de estanqueidad al menos una lengüeta axial de estanqueidad (42) y al menos una lengüeta radial de estanqueidad (44), alojadas, respectivamente, al menos en una ranura axial (26, 36) y al menos en una ranura radial (28, 38) practicadas enfrentadas en las caras laterales adyacentes de los segmentos, desembocando la ranura radial (28, 38), al menos en una de sus extremidades, en la ranura axial (26, 36), caracterizado porque la ranura axial (26, 36) de cada segmento (16, 18) presenta una profundidad (P1) superior a la profundidad (P2) de la ranura radial (28, 38) y porque la lengüeta axial de estanqueidad (42) presenta una anchura (L1) superior a la de la anchura (L2) de la lengüeta radial (44).
Description
Disposición de lengüetas de estanqueidad para
una camisa de una turbina de gas.
La presente invención corresponde al ámbito
general de los conjuntos de anillo fijo de una turbina de gas. De
modo más particular se refiere a los conjuntos de anillo fijo de una
turbina de alta presión de turbomáquina constituidos por una
pluralidad de segmentos unidos uno a continuación de otro con
interposición de lengüetas de estanquei-
dad.
dad.
En una turbina de gas, por ejemplo una turbina
de alta presión de turbomáquina, los álabes móviles que forman el
rotor están rodeados por un conjunto de anillo fijo que forma una
envuelta. El conjunto de anillo fijo define, así, una de las
paredes del chorro de salida de los gases calientes que provienen de
la cámara de combustión de la turbomáquina y que atraviesan la
turbina.
El conjunto de anillo fijo se compone de un
anillo de turbina fijado al cárter de la turbina por intermedio de
un tirante. Generalmente, el anillo y el tirante de dicho conjunto
de anillo fijo están sectorizados, es decir, que estos se componen,
cada uno, de una pluralidad de segmentos unidos uno a continuación
de otro.
Estando el conjunto de anillo fijo así definido
en contacto con los gases calientes procedentes de la cámara de
combustión, es necesario enfriar los diferentes segmentos que le
componen. A tal efecto, aire tomado del fondo de la cámara circula
en un circuito de enfriamiento dispuesto en cada segmento del
conjunto de anillo fijo y es evacuado en el chorro de salida de los
gases aguas arriba de los álabes móviles de la turbina.
Por otra parte, es necesario asegurar una
estanqueidad entre los segmentos adyacentes del conjunto de anillo
fijo con el fin de evitar fugas de aire particularmente
perjudiciales para el buen enfriamiento de estos segmentos. Con
este objeto, se conoce (véanse especialmente los documentos EP 0 147
354 y US 5.709.530) interponer lengüetas de estanqueidad entre los
segmentos adyacentes. Tales lengüetas están alojadas generalmente en
ranuras axiales y radiales practicadas enfrentadas en las caras
laterales adyacentes de los segmentos. Éstas permiten, así,
obstruir la holgura existente entre dos segmentos adyacentes con el
fin de limitar las fugas de aire cualquiera que sea la dilatación
térmica experimentada por los segmentos.
Las ranuras radiales y axiales en las cuales
están alojadas las lengüetas de estanqueidad están generalmente
mecanizadas de tal modo que éstas quedan unidas, es decir, que
comunican entre sí. Esta disposición se hace necesaria por el hecho
de que las lengüetas de estanqueidad deben recubrir una superficie
máxima de las caras laterales de los segmentos con el fin de
obtener una estanqueidad óptima.
En la práctica, se constata, sin embargo, que
tal disposición de las ranuras, genera fugas de aire importantes a
nivel de la unión entre las ranuras axiales y radiales. Estas fugas
están ilustradas en la figura 5. En esta figura, se han
representado parcialmente dos segmentos 100, 100' del conjunto de
anillo fijo, provistos, cada uno, de una ranura axial 102, 102' y
de una ranura radial 104, 104'. Lengüetas de estanqueidad 106, 108
están alojadas, respectivamente, en las ranuras axiales y radiales.
La holgura 110 existente entre las lengüetas y las ranuras proviene
del hecho de que, como los segmentos están expuestos a los gases
calientes procedentes de la cámara de combustión, estos
experimentan dilataciones y contracciones térmicas que repercuten a
nivel de la holgura 112 existente entre los dos segmentos
adyacentes.
Debido a la repartición de presión en el
circuito de enfriamiento de los segmentos 100, 100', aparecen fugas
de aire a nivel de la unión de las ranuras axiales 102, 102' y
radiales 104, 104' (estas fugas están representadas en trazos
rayados en la figura). Tales fugas son particularmente penalizantes
para el enfriamiento de los segmentos y para el rendimiento de la
turbina.
La presente invención pretende entonces paliar
tales inconvenientes, proponiendo un conjunto de anillo fijo de
turbina de gas en el que los segmentos que le constituyen presenten
una geometría particular de las ranuras y de las lengüetas de
estanqueidad que permita reducir las fugas entre dos segmentos
adyacentes.
A tal efecto, está previsto un conjunto de
anillo fijo que forma una envuelta de rotor de una turbina de gas,
comprendiendo el conjunto de anillo fijo una pluralidad de segmentos
cuyas caras laterales adyacentes están puestas una a continuación
de otra con interposición de medios de estanqueidad, comprendiendo
los medios de estanqueidad al menos una lengüeta de estanqueidad
axial y al menos una lengüeta de estanqueidad radial, alojadas,
respectivamente, al menos en una ranura axial y al menos en una
ranura radial practicadas enfrentadas en las caras laterales
adyacentes de los segmentos, desembocando la ranura radial al menos
en una de sus extremidades en la ranura axial, caracterizado porque
la ranura axial de las caras laterales de cada segmento presenta
una profundidad superior a la profundidad de la ranura radial y
porque la lengüeta de estanqueidad axial presenta una anchura
superior a la anchura de la lengüeta radial.
La lengüeta de estanqueidad alojada en una
ranura más profunda permite recubrir las secciones de fugas
observadas en la técnica anterior. De este modo, es posible
disminuir las fugas de aire entre dos segmentos adyacentes, lo que
permite mejorar su enfriamiento. Por otra parte, para un
enfriamiento idéntico, es posible disminuir el caudal de aire
necesario para el enfriamiento y, por tanto, aumentar el rendimiento
de la turbina.
Otra ventaja de la invención reside en el hecho
de que esta supresión de estas fugas de aire se efectúa sin la
adición de piezas anejas (de tipo esquineras) perjudiciales para la
masa del conjunto, no necesita modificaciones importantes de las
ranuras y de las lengüetas de estanqueidad, y no implica problemas
de mantenimiento.
El conjunto de anillo fijo puede constituir un
anillo de turbina de alta presión de una turbomáquina. En este
caso, cada segmento de anillo puede comprender, a nivel de sus caras
laterales, dos ranuras axiales dispuestas en el lado de las paredes
interna y externa y en las cuales están alojadas lengüetas axiales,
y dos ranuras radiales dispuestas en el lado de las paredes aguas
arriba y aguas abajo y en las cuales se alojan lengüetas
radiales.
El conjunto de anillo fijo puede constituir
igualmente un tirante al cual está fijado el anillo de turbina de
alta presión de la turbomáquina. En este caso, cada segmento de
tirante puede comprender, a nivel de sus caras laterales, una
ranura axial en la cual está alojada una lengüeta axial y, al menos
tres ranuras radiales de las cuales dos están alojadas en el lado
de sus paredes aguas arriba y aguas abajo y en las cuales están
alojadas lengüetas radiales.
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 de ésta desprovisto de cualquier carácter limitativo.
En las figuras:
- la figura 1 es una vista en corte longitudinal
de un conjunto de anillo fijo de turbina de alta presión de
turbomáquina de acuerdo con la invención;
- la figura 2 representa en perspectiva un
segmento de tirante del conjunto de anillo fijo de la figura 1;
- la figura 3 ilustra en perspectiva y
parcialmente en despiece ordenado dos segmentos de tirante de la
figura 2 unidos uno a continuación de otro;
- la figura 4 es una vista en corte según
IV-IV de la figura 3; y
- la figura 5, descrita anteriormente, ilustra
los problemas de fugas encontrados en un conjunto de anillo fijo de
la técnica anterior.
En relación con la figura 1, una turbina de alta
presión de turbomáquina 2, de eje longitudinal X-X,
se compone, especialmente, de una pluralidad de álabes móviles 4
que forman un rotor y dispuestos en el chorro anular 6 de salida de
gases calientes procedentes de la cámara de combustión (no
representada). Una pluralidad de álabes fijos 8 que forman un
distribuidor de alta presión están dispuestos igualmente en el
chorro de salida 6, aguas arriba de los álabes móviles 4 con
respecto a la dirección de salida 10 de los gases.
Los álabes móviles 4 están rodeados por un
conjunto de anillo fijo 12 que forma una envuelta. Este conjunto de
anillo fijo se compone de un anillo de turbina fijado a un cárter 14
de la turbina por intermedio de una pluralidad de segmentos de
tirante 18. De modo más particular, el anillo de turbina se compone
de una pluralidad de segmentos de anillo 16 unidos uno a
continuación de otro. A título de ejemplo, puede haber dos segmentos
de anillo 16 montados en un solo segmento de tirante 18.
El conjunto de anillo fijo 12 así definido
comprende un circuito de circulación de aire que permite enfriar
los segmentos de anillo 16 y de tirante 18 que están expuestos a los
gases calientes procedentes de la cámara de combustión.
Para hacer esto, el conjunto de anillo fijo 12
está provisto de un circuito de enfriamiento. Un agujero 20 está
perforado en la pared radial aguas arriba 22a de cada segmento de
tirante 18 y desemboca en una cavidad 24 formada entre el cárter 14
y el segmento de tirante 18. El aire distribuido en esta cavidad 24
proviene de una toma realizada en el fondo de la cámara y a
continuación alimenta un circuito de enfriamiento del segmento de
tirante 18 y del segmento o de los segmentos de anillo 16 montados
en éste. El aire es evacuado finalmente en el chorro de salida 6 de
los gases calientes, aguas arriba de los álabes móviles 4 de la
turbina.
Por otra parte, como el anillo y el tirante del
conjunto de anillo fijo 12 están sectorizados, conviene limitar las
fugas entre dos segmentos 16, 18 adyacentes.
A tal efecto, entre dos segmentos adyacentes de
anillo 16 y de tirante 18 se interponen barreras de estanqueidad.
Estas barreras están constituidas por lengüetas de estanqueidad
alojadas en ranuras axiales y radiales practicadas enfrentadas en
las caras laterales adyacentes de los segmentos 16, 18.
Por ranuras axiales se entiende que estas
ranuras se extienden sensiblemente en dirección axial, es decir,
según el eje longitudinal X-X de la turbina de alta
presión 2. Asimismo, por ranuras radiales, se entiende que estas
ranuras se extienden sensiblemente en dirección radial, es decir,
según una dirección perpendicular al eje longitudinal
X-X.
Así, cada segmento de anillo 16 está provisto de
al menos una ranura axial 26 y de al menos una ranura radial 28
practicadas en sus caras laterales 30.
En la figura 1, las caras laterales 30 del
segmento de anillo comprenden, cada una, dos ranuras axiales 26 y
dos ranuras radiales 28. Las ranuras axiales 26 están dispuestas,
por ejemplo, en el lado de las paredes interna 32a y externa 32b
del segmento de anillo 16. En cuanto a las ranuras radiales 28,
éstas están situadas, por ejemplo, en el lado de las paredes
axiales aguas arriba 34a y aguas abajo 34b del segmento 16.
Una repartición de este tipo de las ranuras
axiales 26 y radiales 28 permite, así, que las lengüetas de
estanqueidad recubran una gran superficie de las caras laterales 30
del segmento de anillo 16 con el fin de asegurar una estanqueidad
óptima entre dos segmentos de anillo adyacentes.
Por otra parte, de esta repartición óptima se
deriva que las dos ranuras radiales 28 desembocan en sus dos
extremidades en las ranuras axiales 26. Puede imaginarse, también,
que las ranuras radiales 28 desemboquen en las ranuras axiales
únicamente en una sola de sus extremidades.
Asimismo, cada segmento de tirante 18 está
provisto de al menos una ranura axial 36 y de al menos una ranura
radial 38 practicadas en sus caras laterales 40.
En las figuras 1 y 2, cada cara lateral 40 del
segmento de tirante 18 comprende, por ejemplo, una ranura axial 36
y tres ranuras radiales 38 de las cuales dos están dispuestas en el
lado de sus paredes axiales aguas arriba 22a y aguas abajo 22b.
Debido a la necesidad de realizar una
repartición óptima de las ranuras axiales 36 y radiales 38 en toda
la superficie de las caras laterales 40 del segmento de tirante 18,
dos de las ranuras radiales 38 desembocan en una de sus
extremidades en la ranura axial 36.
En las ranuras axiales 26, 36 y radiales 28, 38
de los segmentos de anillo 16 y de tirante 18, están alojadas
lengüetas de estanqueidad que permiten obstruir parcialmente la
holgura existente entre dos segmentos adyacentes con el fin de
limitar las fugas de aire.
Ahora bien, a nivel de la unión entre algunas de
estas ranuras axiales y radiales aparecen fugas de aire. Se
desarrollan fugas, especialmente, en los segmentos de anillo 16, a
nivel de las uniones A y A' (véase la figura 1) entre dos ranuras
radiales 28 y la ranura axial 26 dispuesta en el lado de la pared
externa 32b. Asimismo, se observan fugas en los segmentos de
tirante 18, a nivel de las uniones B y B' (véase la figura 1) entre
dos ranuras radiales 38 y la ranura axial 36.
Para limitar tales fugas, está previsto, de
acuerdo con la invención, que la ranura o las ranuras axiales 26,
36 de las caras laterales 30, 40 de cada segmento de anillo 16 y de
tirante 18 presenten una profundidad superior a la profundidad de
la ranura o las ranuras radiales 28, 38, y que la lengüeta de
estanqueidad alojada en cada ranura axial presente una anchura
superior a la anchura de la lengüeta de estanqueidad alojada en
cada ranura radial.
Por profundidad de ranura, se entiende la
profundidad de mecanizado de la ranura en el material del segmento
correspondiente. Por anchura de lengüeta, se entiende la distancia
de la lengüeta comprendida entre sus dos bordes laterales por los
cuales la lengüeta está situada dentro de las ranuras.
Esta característica está ilustrada especialmente
en la figura 2, que representa un segmento de tirante 18. En esta
figura, se observa bien que a nivel de la unión B, la ranura axial
36 presenta una profundidad P1 superior a la profundidad P2 de la
ranura radial 38 que desemboca en la ranura axial 36. Naturalmente,
esta característica se aplica igualmente a la unión B' del segmento
de tirante 18, así como a las uniones A y A' del segmento de anillo
16 (véase la figura 1).
En la figura 3, están representados dos
segmentos de tirante 18, 18' adyacentes unidos uno a continuación
de otro, así como la unión B entre las ranuras axial 36 y radial 38.
Una lengüeta de estanqueidad axial 42 está alojada en la ranura
axial 36 y una lengüeta de estanqueidad radial 44 está alojada en la
ranura radial 38.
En las figuras 3 y 4, se observa bien que la
lengüeta de estanqueidad axial 42 presenta una anchura L1 superior
a la anchura L2 de la lengüeta de estanqueidad radial 44.
Naturalmente, aunque no está ilustrado, esta característica
relativa a la anchura de las lengüetas de estanqueidad se aplica
igualmente a la unión B' del segmento de tirante 18, así como a las
uniones A y A' del segmento de anillo 16 (véase la figura 1).
Así, pueden evitarse las fugas de aire a nivel
de las uniones entre ranuras axiales 26, 36 y radiales 28, 38 de
los segmentos de anillo 16 y de tirante 18. Especialmente, en lo que
respecta a los segmentos de tirante 18, se observa que la presión
del aire que alimenta su circuito de enfriamiento es mayor en el
lado de las cavidades 24 (véase la figura 1) que en lado del chorro
de salida 6. El aire que circula entre dos segmentos 18, 18'
adyacentes (véase la figura 3) va a tener entonces tendencia a fijar
la lengüeta de estanqueidad axial 42 contra los asientos de la
ranura axial 36 sobre los cuales reposa, impidiendo, así, que el
aire se fugue por las ranuras radiales 38 a nivel de su unión con
la ranura axial. De este modo, se evita cualquier riesgo de
fuga.
Naturalmente, esta particularidad se aplica,
igualmente, a los segmentos de anillo 16 para los cuales la presión
del aire que alimenta su circuito de enfriamiento es mayor en el
lado de su pared externa 32b que en el lado de su pared interna 32a
(véase la figura 1).
Refiriéndose a la figura 4, se observará
igualmente que existe una holgura J entre las lengüetas 42, 44 y
las ranuras axiales 36 y radiales 38 en las cuales están alojadas.
Esta holgura J es necesaria para tener en cuenta las dilataciones y
contracciones térmicas que experimentan los segmentos de tirante 18,
18' adyacentes (y por analogía los segmentos de anillo).
El conjunto de anillo fijo tal como el descrito
constituye un elemento de una turbina de alta presión de
turbomáquina. Naturalmente, la presente invención se aplica a
cualquier tipo de anillo segmentado en el que sea necesario
asegurar una estanqueidad entre los segmentos adyacentes, como, por
ejemplo, un distribuidor de alta presión de turbomáquina.
Claims (6)
1. Conjunto de anillo fijo que forma una
envuelta de rotor de una turbina de gas, comprendiendo el conjunto
de anillo fijo una pluralidad de segmentos (16, 18) cuyas caras
laterales (30, 40) adyacentes están puestas una a continuación de
otra con interposición de medios de estanqueidad, comprendiendo los
medios de estanqueidad al menos una lengüeta axial de estanqueidad
(42) y al menos una lengüeta radial de estanqueidad (44), alojadas,
respectivamente, al menos en una ranura axial (26, 36) y al menos en
una ranura radial (28, 38) practicadas enfrentadas en las caras
laterales adyacentes de los segmentos, desembocando la ranura radial
(28, 38), al menos en una de sus extremidades, en la ranura axial
(26, 36), caracterizado porque la ranura axial (26, 36) de
cada segmento (16, 18) presenta una profundidad (P1) superior a la
profundidad (P2) de la ranura radial (28, 38) y porque la lengüeta
axial de estanqueidad (42) presenta una anchura (L1) superior a la
de la anchura (L2) de la lengüeta radial (44).
2. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque constituye un anillo de turbina de alta
presión de una turbomáquina.
3. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 2,
caracterizado porque cada segmento de anillo (16) comprende,
a nivel de sus caras laterales (30), dos ranuras axiales (26)
dispuestas en el lado de las paredes interna (32a) y externa (32b)
y en las cuales están alojadas lengüetas axiales, y dos ranuras
radiales (28) dispuestas en el lado de las paredes aguas arriba
(34a) y aguas abajo (34b) y en las cuales están alojadas lengüetas
radiales.
4. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque constituye un tirante de turbina de alta
presión de una turbomáquina.
5. Conjunto de acuerdo con la reivindicación 4,
caracterizado porque cada segmento de tirante (18) comprende,
a nivel de sus caras laterales (40), una ranura axial (36) en la
cual está alojada una lengüeta axial (42) y al menos tres ranuras
radiales (38) de las cuales dos están alojadas en el lado de sus
paredes aguas arriba (22a) y aguas abajo (22b) y en las cuales
están alojadas lengüetas radiales (44).
6. Turbomáquina que comprende al menos un
conjunto de acuerdo con una cualquiera de las
reivindicaciones
1 a 5.
1 a 5.
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