ES2313636T3 - Turbina de gas con un dispositivo de bloqueo del intersticio. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas (1) con una pared de canal (30) que delimita una circulación (38), que presenta una primera y una segunda sección de pared (31, 32), en la que una de las secciones de la pared (31) es parte de una cámara de combustión (6) de la turbina de gas (1) y la otra de las secciones de la pared (32) es parte de un canal de gas caliente (18) en forma de anillo de una unidad de turbina (8) y en la que las dos secciones adyacentes de la pared (31, 32) están opuestas entre sí en el lado frontal bajo la formación de un intersticio (34), en la que para la obturación del intersticio (34) se proyecta desde la primera sección de pared (31) en el lado frontal un elemento de bloqueo (44) que se extiende en el intersticio (34) y que se puede desplazar transversalmente al mismo, caracterizada porque el elemento de bloqueo comprende una superficie de pistón (60) guiada en la primera sección de pared (31) y una estructura de obturación (54) opuesta a la superficie de pistón (60), que se puede presionar con la ayuda de un medio de presión (D) que actúa sobre la superficie del pistón en una zona de obturación (56), dispuesta en el lado frontal, de la segunda sección de la pared (32).

Description

Turbina de gas con un dispositivo de bloqueo del intersticio.

La invención se refiere a una turbina de gas con una pared de canal que delimita una circulación, que presenta una primera y una segunda sección de pared, en la que una de las secciones de la pared es parte de una cámara de combustión de la turbina de gas y la otra de las secciones de la pared es parte de un canal de gas caliente en forma de anillo de una unidad de turbina y en la que las dos secciones adyacentes de la pared están opuestas entre sí en el lado frontal bajo la formación de un intersticio.

Se sabe que en turbinas de gas en una cámara de combustión se quema una mezcla de combustible y aire para formar un gas caliente, que se emplea a continuación en una unidad de turbina para la generación de energía mecánica. En este caso, se pasa el gas caliente desde una cámara de combustión a un canal de gas caliente en forma de anillo, en el que unas palas de guía de la turbina dispuestas en la carcasa y unas palas de guía de la turbina dispuestas en el rotor provocan la transformación de la energía de la circulación del gas caliente en energía mecánica del rotor. En la zona de transición entre la cámara de combustión y el canal de gas caliente en forma de anillo está presente, condicionado por el diseño, un intersticio axial circundante, cuya medida del intersticio varía en función de las dilataciones condicionadas por la temperatura, que aparecen durante el funcionamiento de la turbina de gas y que se protege contra la penetración de gas caliente a través de la expulsión por soplado del aire de bloqueo. El aire de bloqueo es expulsado por soplado especialmente en el intersticio, que se forma entre el extremo de la cámara de combustión, que está dirigido hacia el canal de gas caliente, y las plataformas de las palas de guía de la primera fase de la turbina o bien un componente entre la cámara de combustión y las palas de guía.

Este método para el bloqueo del intersticio por medio de la expulsión por soplado del aire de bloqueo repercute de forma negativa sobre el rendimiento de la turbina de gas así como sobre la estabilidad de la combustión dentro de la cámara de combustión, puesto que el aire de bloqueo es tomado del aire combustión acondicionado para la combustión. Especialmente como consecuencia de las diferentes dilataciones térmicas de los componentes que están implicados en el intersticio, el intersticio resultante varía con respecto al existente en el estado frío de la turbina de gas. Esto requiere corrientes de masas de aire de bloqueo considerables, puesto que éstas están diseñadas para el intersticio máximo posible resultante. En el caso de que aparezca un intersticio todavía mayor que el calculado, se puede producir en el peor de los casos una obturación insuficiente, que conduce a una irrupción o bien entrada local de gas caliente en el intersticio, lo que conduce a una duración de vida reducida de los componentes que rodean el
intersticio.

Se conoce a partir del documento US 2005/063816 una turbina de gas de acuerdo con el estado de la técnica.

Por lo tanto, el cometido de la invención es indicar una turbina de gas con un dispositivo de bloqueo del intersticio para una pared de canal que delimita una circulación, que presenta un rendimiento mejorado adicionalmente y que presenta una estabilidad de la combustión mejorada adicionalmente así como su pared de canal presenta una duración de vida útil incrementada.

De acuerdo con las características indicadas en la reivindicación 1 de la patente, el cometido referido a la turbina de gas de acuerdo con la invención se soluciona porque para la obturación del intersticio se proyecta desde la primera sección de pared en el lado frontal un elemento de bloqueo que se extiende en el intersticio y que se puede desplazar transversalmente al mismo, cuyo elemento de bloqueo comprende una superficie de pistón guiada en la primera sección de pared y una estructura de obturación opuesta a la superficie de pistón, que se puede presionar con la ayuda de un medio de presión que actúa sobre la superficie del pistón en una zona de obturación, dispuesta en el lado frontal, de la segunda sección de la pared.

La invención parte del reconocimiento de que un elemento de bloqueo desplazable, que se extiende transversalmente en el intersticio, puede impedir la penetración de gas caliente siempre de una manera efectiva, aunque en virtud de las dilataciones térmicas condicionadas por el funcionamiento, las secciones de la pared opuestas en el lado frontal se pueden aproximar y separar una de la otra y pueden hacer variar el tamaño del intersticio. Para que el elemento de bloqueo pueda conseguir la mejor obturación posible del intersticio variable, el elemento de bloqueo es desplazable con respecto a la primera sección de pared, para que pueda ser presionado siempre con su estructura de obturación en una zona de obturación dispuesta en el lado frontal de la segunda sección de pared. La presión de apriete necesaria a tal fin es generada por un medio de presión, que se puede alimentar a una cámara de pistón que se encuentra en la primera sección de la pared. El elemento de bloqueo se proyecta con su superficie de pistón en el interior de la cámara de pistón, de manera que el medio de presión puede actuar sobre la superficie del pistón y de esta manera el elemento de bloqueo puede seguir apoyándose siempre en la zona de obturación.

De acuerdo con ello, la invención se desvía del método, en el que la penetración de gas caliente en el intersticio solamente es impedida a través de la expulsión por soplado del aire de bloqueo.

En virtud de la capacidad de desplazamiento del elemento de bloqueo dentro de la primera sección de la pared, transversalmente al intersticio y en el intersticio, un dispositivo de bloqueo del intersticio de este tipo puede obturar en cualquier momento de una manera efectiva el intersticio a pesar de las medidas variables del intersticio.

Además, se puede ahorrar aire de bloqueo y, en su lugar, se puede poner a disposición del proceso de combustión de la turbina de gas para el bloqueo del intersticio, lo que eleva adicionalmente el rendimiento durante el funcionamiento de la turbina de gas. Además, de esta manera se puede mejorar la estabilidad de la combustión.

Las configuraciones ventajosas se indican en las reivindicaciones dependientes.

De una manera preferida, la estructura de obturación del elemento de bloqueo y la zona de obturación prevista en la segunda sección de la pared se apoyan entre sí en la superficie. De esta manera se eleva adicionalmente la acción de obturación del elemento de bloqueo, lo que dificulta adicionalmente la penetración de gas caliente.

En una configuración ventajosa, las dos secciones adyacentes de la pared son parte de una pared de canal en forma de anillo en la sección transversal. De esta manera, el intersticio es circundante en la dirección circunferencial. Esto posibilita un dispositivo de bloqueo del intersticio circundante, en el que de una manera más conveniente la superficie del pistón, la estructura de obturación y la cámara del pistón están configuradas en cada caso en forma de anillo, de manera que se puede garantizar en cualquier lugar del intersticio una prevención especialmente efectiva para impedir la penetración de gas caliente en el intersticio.

Se consigue un dispositivo de bloqueo del intersticio especialmente fiable y efectivo, cuando el elemento de bloqueo cierra una cámara de pistón, dispuesta en la primera sección de la pared, por medio de una junta de obturación de deslizamiento, prevista entre el elemento de bloqueo y la primera sección de la pared, para posibilitar o bien mejorar la formación de la presión, que es necesaria para el desplazamiento. Puesto que como medio de presión se emplea de una manera preferida aire comprimido, se puede preparar con ello de una manera especialmente sencilla la presión necesaria, sin reducir el rendimiento de la turbina de gas o bien su estabilidad de la combustión. Una junta de obturación de deslizamiento especialmente efectiva comprende al menos una punta de obturación prevista en el elemento de bloqueo o en la primera sección de la pared.

A continuación se explica en detalle la invención con la ayuda de un dibujo. En este caso:

La figura 1 muestra una turbina de gas en una sección parcial longitudinal.

La figura 2 muestra el detalle II de la figura 1, la zona de transición de una cámara de combustión anular en un canal de gas caliente de la turbina de acuerdo con el estado de la técnica.

La figura 3 muestra un dispositivo de bloqueo del intersticio de acuerdo con la invención con un elemento de bloqueo del tipo de pistón en la sección transversal.

La figura 4 muestra una primera sección de pared con un elemento de bloqueo del tipo de pistón en vista en perspectiva, y

La figura 5 muestra un elemento de obturación de pistón como elemento de bloqueo en vista en perspectiva.

La figura 1 muestra una turbina de gas 1 en una sección parcial longitudinal, Presenta en el interior un rotor 3 alojado de forma giratoria alrededor de un eje de rotación 2, que se designa también como rotor de turbina. A lo largo del rotor 3 se suceden una carcasa de aspiración 4, un compresor 5, una cámara de combustión anular 6 del tipo toroidal con varios quemadores 7dispuestos adyacentes entre sí de forma simétrica rotatoria, una unidad de turbina 8 y una carcasa de escape de gases 9. La cámara de combustión anular 6 forma una cámara de combustión 17, que se comunica con un canal de gas caliente 18 en forma de anillo. Cuatro fases de la turbina 10 conectadas unas detrás de las otras forman allí la unidad de turbina 8. Cada fase de la turbina 10 está formada por dos anillos de palas. Visto en la dirección de la circulación de un gas caliente 11 generado en la cámara de combustión anular 6, en el canal de gas caliente 18 sigue en cada caso una serie de palas de guía 13 y una serie 14 formada por palas de circulación 15. Las palas de guía 12 están fijadas en el estator, en cambio las palas de circulación 15 se una serie 14 están montadas en el rotor 3 por
medio de una disco de turbina. En el rotor 3 está acoplado un generador o una máquina de trabajo (no se representa).

La figura 2 muestra como fragmento una pared de canal 30 que delimita una circulación, con dos secciones de pared 31, 32 adyacentes, que están colocadas opuestas entre sí en el lado frontal bajo la formación de un intersticio 34. Las secciones de pared 31, 32 de la pared del canal 30, conducen una circulación de gas caliente 38. De acuerdo con el fragmento II de la figura 1, está presente una disposición de este tipo en la zona de transición desde la cámara de combustión 17 de la cámara de combustión anular 6 de la turbina de gas 1 hasta el canal de gas caliente 18 en forma de anillo de la unidad de turbina 8. La primera sección de pared 31 puede ser una pantalla de calor cerámica o metálica, en cambio la segunda sección de pared 32 puede estar formada, por ejemplo, por una plataforma de las palas de guía 12 de la primera fase de la turbina 10.

Para bloquear el intersticio 34 contra entrada de gas caliente 11, se expulsa por soplado en el estado de la técnica solamente el aire de bloqueo 40 fuera del intersticio a presión elevada (figura 2).

La figura 3 muestra un dispositivo de bloqueo del intersticio 50 de acuerdo con la invención para la pared de canal 30, que conduce delimitando la circulación de gas caliente 38. La primera sección de pared 31 está dividida en el lado frontal en dos elementos parciales 31aa y 31b por medio de una juntura 46 que se extiende en paralelo a la circulación de la corriente de gas 38 y por medio de una juntura que está provista con ranuras 42, para recibir allí al menos parcialmente un elemento de bloqueo 44 desplazable en paralelo a la circulación de gas caliente 38 y en el intersticio 34. La ranura 42 en la sección de pared 31se puede producir por fresado, de manera que debe insertarse entonces el elemento de bloqueo 44 en la dirección circunferencial.

El elemento de bloqueo 44 en forma de pistón o en forma de martillo en la sección transversal, circundante en forma de anillo en el ejemplo representado (figura 5) presenta una estructura de obturación 54 dispuesta en el lado del intersticio, que está colocada opuesta a una zona de obturación 56 dispuesta en el lado frontal 52 de la segunda sección de pared 32.

Además, el elemento de bloqueo 44 comprende una superficie de pistón 60, que corresponde a la sección transversal de la cámara de pistón 62, que está prevista en la primera sección de pared 31 entre los dos elementos parciales 31aa, 31b. A la cámara de pistón 62 se puede alimentar desde el lado trasero 63 de la sección de pared 31, a través de un canal de alimentación 64 en forma de intersticio o en forma de taladro, un medio de presión D, con preferencia aire final del compresor, que impulsa habitualmente de todos modos la sección de pared 31, realizada, por ejemplo, como pantalla térmica metálica, para su refrigeración en el lado trasero -con relación al gas caliente-. Como canal de alimentación 64 se puede utilizar, por ejemplo, también la juntura 46.

En la utilización propuesta de esta manera del dispositivo de bloqueo del intersticio 50 e la turbina de gas 1, el elemento de bloqueo 44 se puede desplazar en la dirección axial del rotor 3. En virtud de las oscilaciones de la temperatura condicionadas por el funcionamiento se mueven y/o se dilatan las secciones de pared 31, 32 implicadas en el intersticio, de manera que la distancia frontal entre las dos secciones de pared 31, 32 puede hacer variar la medida del intersticio B. Por ejemplo, después del arranque de la turbina de gas fría se reduce el intersticio en virtud de las dilataciones de la temperatura. La variación de la medida del intersticio B puede ser en este caso tan grande que los elementos de obturación puramente estáticos o también elásticos no están en condiciones de compensar de una manera duradera los movimientos de las secciones de la pared manteniendo una hermeticidad suficiente.

Para conseguir una obturación fiable del intersticio 34 para cada instante durante el funcionamiento, el elemento de bloqueo 44 se puede presionar como elemento de obturación en la zona de obturación 56 de la segunda sección de pared 32.

La presión de apriete necesaria a tal fin se consigue desde el medio de presión D, que se puede alimentar a la cámara de elevación o cámara de pistón 62 a través del canal de alimentación 64 y en éste actúa sobre la superficie de pistón 60 del elemento de bloqueo 44 para su desplazamiento en la dirección de la sección de pared 32 opuesta.

La presión p_{1} del medio de presión D está seleccionada de tal forma que ésta es mayor que la presión p_{2} o p_{3} que aparece en el intersticio. De esta manera, es posible que el elemento de bloqueo 44 dispuesto en la juntura 46 sea desplazado bajo presión a modo de un pistón móvil en la ranura 42 parcialmente fuera de la primera sección de pared 31 en la dirección de la segunda sección de pared 32, con lo que su estructura de obturación 54 es siempre hermética en la zona de obturación 56 durante el funcionamiento, apoyándose en este caso con preferencia en la superficie. La diferencia de la presión entre el intersticio 34 y la cámara del pistón 62 se ocupa de esta manera de una obturación adaptada por sí misma al tamaño del intersticio o bien a la medida del intersticio B, si se ha seleccionado suficientemente grande el recorrido de desplazamiento en función del tamaño de la cámara del pistón 62.

La pared del canal 30 separa la circulación de gas caliente 38 frente a un espacio trasero 66, en el que puede estar conducido aire de refrigeración. El aire de refrigeración presenta la presión p_{2}, que es con preferencia menor que la presión del medio de presión D, empleado para el seguimiento del elemento de bloqueo 44, pero mayor que la presión p_{3} del gas caliente 11 en el lado de gas caliente en el intersticio 34. En el caso de que entre la estructura de obturación 54 y la zona de obturación 56 aparezca todavía una fuga insignificante o también significativa, se puede expulsar a través de las relaciones de la presión seleccionadas una corriente de fuga desde el espacio 66 a través del intersticio 34, que impide de una manera efectiva con efecto se apoyo la penetración desfavorable de gas caliente 11.

Para conseguir una utilización especialmente escasa de consumo del medio de presión D, el elemento de bloqueo 44 está alojado con una junta de obturación de deslizamiento 70 en la primera sección de la pared 31. La junta de obturación de deslizamiento 70 cierra al menos parcialmente la cámara del pistón 62 frente al intersticio 34 y rodea las puntas de obturación 72, que pueden estar previstas o bien en superficies laterales 71 del elemento de bloqueo 44, como se puede ver en la figura 5 en vista en perspectiva, o en estas superficies internas 74 opuestas de la sección de pared 31. De esta manera, se puede evitar una fuga no deseada o inadmisiblemente grande del medio de presión D, que penetra desde la cámara del pistón 62 sin utilizar en el intersticio 34.

Como se deduce también a partir de la vista parcial en perspectiva de la figura 4, las dos secciones de pared 31, 32 pueden ser también parte de una pared de canal 30 circundante en forma de anillo en la sección transversal axial, que delimitan, por ejemplo, la transición desde una cámara de combustión anular 6 hasta el canal de gas caliente 18 de la turbina de gas 1, con preferencia en la zona del fragmento II identificado con II en la figura 1. En la dirección circunferencial, tanto las secciones de pared 31, 32 de la pared de canal 30 en forma de anillo como también el elemento de bloqueo 44 pueden estar segmentados. Además, son concebibles otros ejemplos de aplicación dentro de la turbina de gas, por ejemplo en las zonas de transición entre plataformas de palas de guía y los anillos de guía dispuestos adyacentes axialmente a ellas, que están colocados frente a las palas de guía.

Por lo tanto, con la invención se crea una junta de obturación o instalación de bloqueo, que se adapta por medio del elemento de bloqueo activado con presión, para un intersticio, que se ajusta de forma automática para un tamaño variable del intersticio, para reducir las cantidades de fuga de aire de bloqueo que proteger el intersticio contra entrada de gas caliente.

Claims (6)

1. Turbina de gas (1) con una pared de canal (30) que delimita una circulación (38), que presenta una primera y una segunda sección de pared (31, 32), en la que una de las secciones de la pared (31) es parte de una cámara de combustión (6) de la turbina de gas (1) y la otra de las secciones de la pared (32) es parte de un canal de gas caliente (18) en forma de anillo de una unidad de turbina (8) y en la que las dos secciones adyacentes de la pared (31, 32) están opuestas entre sí en el lado frontal bajo la formación de un intersticio (34), en la que para la obturación del intersticio (34) se proyecta desde la primera sección de pared (31) en el lado frontal un elemento de bloqueo (44) que se extiende en el intersticio (34) y que se puede desplazar transversalmente al mismo, caracterizada porque el elemento de bloqueo comprende una superficie de pistón (60) guiada en la primera sección de pared (31) y una estructura de obturación (54) opuesta a la superficie de pistón (60), que se puede presionar con la ayuda de un medio de presión (D) que actúa sobre la superficie del pistón en una zona de obturación (56), dispuesta en el lado frontal, de la segunda sección de la pared (32).

2. Turbina de gas (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la estructura de obturación (54) del elemento de bloqueo (44) y la zona de obturación (56) del lado frontal (52) de la segunda sección de la pared (32) se apoyan entre sí en la superficie.

3. Turbina de gas (1) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en la que ambas secciones de la pared (31, 32) adyacentes son parte de una pared de canal (30) en forma de anillo en la sección transversal.

4. Turbina de gas (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en la que el elemento de bloqueo (44) cierra una cámara de pistón (62), dispuesta en la primera sección de la pared (31), por medio de una junta de obturación de deslizamiento (70) prevista entre el elemento de bloqueo (44) y la primera sección de la pared (31), para garantizar sin pérdidas la formación de la presión del medio de presión (D), que es necesaria para el desplazamiento para presionar contra la superficie de obturación (56).

5. Turbina de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que la superficie del pistón (60), la estructura de obturación (54) y la cámara del pistón (62) están configuradas en cada caso en forma de anillo.

6. Turbina de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 ó 5, en la que la junta de obturación de deslizamiento (70) comprende al menos una punta de obturación (72) prevista en el elemento de bloqueo (44) o en la primera sección de pared (31).