ES2314355T3 - Dispositivo de control de la holgura de una turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de control de holgura entre un vértice (4a) de álabes giratorios (4) y un conjunto de anillo fijo de una turbina de gas (2), comprendiendo el citado conjunto de anillo fijo un cárter anular (14) que tiene un eje longitudinal (X-X) y provisto de al menos dos aletas anulares (18, 20) espaciadas axialmente una de otra y que se extienden radialmente hacia el exterior del citado cárter (14), comprendiendo el citado dispositivo de control de holgura una caja circular de control (26) que rodea el cárter (14) del conjunto de anillo fijo, comprendiendo la citada caja de control (26): medios de circulación de aire formados al menos por tres rampas anulares (28, 30, 32) espaciadas axialmente una de otra y dispuestas a una y otra parte de las caras laterales de cada una de las aletas (18, 20); medios de alimentación de aire para facilitar aire a las rampas de circulación de aire (28, 30, 32); y medios de descarga de aire sobre las aletas (18, 20) para modificar la temperatura del conjunto de anillo fijo, caracterizado porque los medios de descarga de aire están formados, en cada rampa de circulación de aire (28,30, 32), por al menos una fila superior de N perforaciones (34) dispuestas enfrente de una de las caras laterales (18a, 18b,20a, 20b) de las aletas (18, 20) y por al menos una fila inferior de 2N perforaciones (36) dispuestas enfrente de un radio de empalme (18c, 18d, 20c, 20d) entre las aletas (18, 20) y el cárter (14) del conjunto de anillo fijo.
Description
Dispositivo de control de la holgura de una
turbina de gas.
La presente invención se refiere al ámbito
general del control de la holgura entre el vértice de los álabes
giratorios y un conjunto de anillo fijo de una turbina de gas.
Una turbina de gas, por ejemplo una turbina de
alta presión de turbomáquina, comprende, típicamente, una pluralidad
de álabes fijos dispuestos en alternancia con una pluralidad de
alabes móviles en el paso de los gases calientes procedentes de la
cámara de combustión de la turbomáquina. Los alabes móviles de la
turbina están rodeados en toda la circunferencia de la turbina por
un conjunto de anillo fijo. Este conjunto de anillo fijo define una
pared de la vena de flujo de los gases calientes a través de los
álabes 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 alabes móviles de la turbina y las partes
del conjunto de anillo fijo que están enfrente de estos.
Para llegar a esto, se han elaborado medios que
permiten hacer variar el diámetro del conjunto de anillo fijo.
Tales medios se presentan, generalmente, en forma de conductos
anulares que rodean el conjunto de anillo fijo y que están
recorridos por aire tomado en otras partes de la turbomáquina. Este
aire es inyectado sobre la superficie externa del conjunto de
anillo fijo y provoca, así, dilataciones o contracciones térmicas
del conjunto de anillo fijo que son aptas para hacer variar su
diámetro. Las dilataciones y contracciones térmicas son
controladas, de acuerdo con el régimen de funcionamiento de la
turbina, por intermedio de una válvula que permite controlar el
caudal y la temperatura del aire que alimenta los conductos. El
conjunto constituido por los conductos y la válvula forma, así, una
caja de control de la holgura en el vértice de los álabes.
Las cajas de control conocidas hasta ahora
(véase el documento EP0541325) no permiten siempre obtener una gran
uniformidad de temperatura en toda la circunferencia del conjunto de
anillo fijo. Una falta de homogeneidad de temperatura genera
distorsiones del conjunto de anillo fijo que son particularmente
perjudiciales para el rendimiento y la duración de la vida de
servicio útil de la turbina de gas.
Por otra parte, en las cajas de control
conocidas, la inyección de aire sobre la superficie externa del
conjunto de anillo fijo no está en general optimizada, de modo que,
frecuentemente, es necesario tomar una importante cantidad de aire
con el fin de asegurar el enfriamiento del conjunto de anillo fijo.
Una toma de aire demasiado importante perjudica el rendimiento de
la turbomáquina.
La presente invención pretende entonces paliar
estos inconvenientes, proponiendo un dispositivo de control de
holgura que permita optimizar la inyección de aire con el fin de
obtener una mejor eficacia y homogeneidad del enfriamiento del
conjunto de anillo fijo.
A tal efecto, está previsto un dispositivo de
control de la holgura entre un vértice de álabes giratorios y un
conjunto de anillo fijo de una turbina de gas, comprendiendo el
citado conjunto de anillo fijo un cárter anular que tiene un eje
longitudinal y provisto de al menos dos aletas anulares espaciadas
axialmente una de otra y que se extienden radialmente hacia el
exterior del cárter, comprendiendo el dispositivo de control de la
holgura una caja circular de control que rodea el cárter del
conjunto de anillo fijo, comprendiendo la caja de control, medios
de circulación de aire formados al menos por tres rampas anulares
espaciadas axialmente una de otra y dispuestas a una y otra parte
de caras laterales de cada una de las aletas, medios de alimentación
de aire para facilitar aire a las rampas de circulación de aire, y
medios de descarga de aire sobre las aletas para modificar la
temperatura del conjunto de anillo fijo, caracterizado porque los
medios de descarga de aire están formados, en cada rampa de
circulación de aire, por al menos una fila superior de N
perforaciones dispuestas enfrente de una de las caras laterales de
las aletas y por al menos una fila inferior de 2N perforaciones
dispuestas enfrente de un radio de empalme entre las aletas y el
cárter del conjunto de anillo fijo.
La repartición y el posicionamiento de las
perforaciones de descarga de aire permiten optimizar el coeficiente
de intercambio térmico entre las aletas y el flujo de aire que las
atraviesa. Se obtiene, así, una mejor eficacia y homogeneidad de
enfriamiento de las aletas y, por tanto, una mayor amplitud de
desplazamiento del cárter para controlar la holgura en el vértice
de los álabes de la turbina.
Cuando las aletas se componen de una aleta aguas
arriba y de una aleta aguas abajo y las rampas se componen de una
rampa aguas arriba dispuesta aguas arriba de la aleta aguas arriba,
de una rampa aguas abajo dispuesta aguas abajo de la aleta aguas
abajo y de una rampa central dispuesta entre la aleta aguas arriba y
la aleta aguas abajo, la rampa central comprende, preferentemente,
al menos dos filas superiores de N perforaciones cada una
dispuestas enfrente de las caras laterales de las aletas aguas
arriba y aguas abajo, y al menos dos filas inferiores de 2N
perforaciones cada una dispuestas enfrente de radios de empalme
entre las aletas aguas arriba y aguas abajo y el cárter del
conjunto de anillo fijo.
De acuerdo con una característica ventajosa de
la invención, las rampas aguas arriba y aguas abajo presentan, cada
una, secciones de descarga de aire sensiblemente idénticas y la
rampa central presenta una sección de descarga de aire que es
sensiblemente dos veces mayor que la sección de las rampas aguas
arriba y aguas abajo.
De acuerdo con otra característica ventajosa de
la invención, las N perforaciones de cada fila superior y las 2N
perforaciones de cada fila inferior presentan secciones de descarga
de aire sensiblemente idénticas.
De acuerdo con otra característica ventajosa de
la invención, las N perforaciones de cada fila superior y las 2N
perforaciones de cada fila inferior están dispuestas al
tresbolillo.
Otras características y ventajas de la presente
invención se deducirán de la descripción que se hace 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 dispositivo de control de holgura de acuerdo con la
invención;
- la figura 2 es una vista parcial y en
perspectiva de las rampas de circulación de aire del dispositivo de
control de holgura de la figura 1, y
- la figura 3 es una vista en corte según
III-III de la figura 1.
La figura 1 ilustra, en corte longitudinal, una
turbina de alta presión 2 de turbomáquina de eje longitudinal
X-X. Sin embargo, la presente invención podría
aplicarse igualmente a una turbina de baja presión de turbomáquina
o a cualquier otra turbina de gas equipada con un dispositivo de
control de la holgura en el vértice de los álabes.
La turbina de alta presión 2 se compone
especialmente de una pluralidad de alabes móviles 4 dispuestos en
una vena de flujo 6 de los gases calientes procedentes de una cámara
de combustión (no representada) de la turbomáquina. Estos alabes
móviles 4 están dispuestos aguas abajo de álabes fijos 8 de la
turbina con respecto a la dirección de flujo 10 de los gases
calientes en la vena de flujo 6.
Los alabes móviles 4 de la turbina de alta
presión 2 están rodeados por una pluralidad de segmentos de anillo
12 dispuestos circunferencialmente alrededor del eje
X-X de la turbina de modo que forman una superficie
circular y continua. Los segmentos de anillo 12 están montados
contra un cárter anular 14, igualmente de eje longitudinal
X-X, por intermedio de una pluralidad de tirantes
16.
En lo que sigue de la descripción, el conjunto
formado por los segmentos de anillo 12, el cárter 14 y los tirantes
16, se designará por la expresión "conjunto de anillo
fijo".
El cárter 14 del conjunto de anillo fijo está
provisto de al menos dos aletas o resaltes anulares 18, 20 que
están espaciados axialmente uno de otro y que se extienden
radialmente hacia el exterior del cárter 14. Estas dos aletas se
diferenciarán con respecto a la dirección de flujo 10 de los gases
calientes en la vena de flujo 6 designándolas por aleta aguas
arriba 18 y aleta aguas abajo 20. Las aletas aguas arriba 18 y aguas
abajo 20 tienen la función principal de actuar como
intercambiadores de calor.
Los segmentos de anillo 12 presentan, cada uno,
una superficie interna 12a que está directamente en contacto con
los gases calientes y que define en parte la vena de flujo 6 de los
gases a través de la turbina de alta presión 2.
Entre la superficie interna 12a de los segmentos
de anillo 12 y el vértice 4a de los alabes móviles 4 de la turbina
de alta presión 2, se deja una holgura radial 22 para permitir la
rotación de estos últimos. Con el fin de aumentar el rendimiento de
la turbina, es necesario reducir todo lo posible esta holgura
22.
Con el fin de reducir la holgura 22 en el
vértice 4a de los alabes móviles 4, está previsto un dispositivo de
control de holgura 24. El dispositivo de control de holgura 24
comprende especialmente una caja circular de control 26 que rodea
el conjunto de anillo fijo, y de modo más preciso el cárter 14.
De acuerdo con los regímenes de funcionamiento
de la turbomáquina, la caja de control 26 está destinada a enfriar
o a recalentar las aletas aguas arriba 18 y aguas abajo 20 del
cárter 14 por descarga (o impacto) de aire sobre éstas. Bajo el
efecto de esta descarga de aire, el cárter 14 se contrae o se
dilata, lo que disminuye o aumenta el diámetro de los segmentos de
anillo fijo 12 de la turbina con el fin de ajustar la holgura 22 en
el vértice de los álabes.
La caja de control 26 comprende, especialmente,
al menos tres rampas anulares de circulación de aire 28, 30 y 32
que rodean el cárter 14 del conjunto de anillo fijo. Estas rampas
están espaciadas axialmente una de otra y son sensiblemente
paralelas entre sí. Éstas están dispuestas a una y otra parte de las
caras laterales de cada una de las aletas 18, 20, a cuya forma se
adaptan aproximadamente.
Las rampas de circulación de aire 28, 30 y 32 se
componen de una rampa aguas arriba 28 que está dispuesta aguas
arriba de la aleta aguas arriba 18 (con respecto a la dirección de
flujo 10 de los gases calientes en la vena de flujo 6), de una
rampa aguas abajo 30 que está dispuesta aguas abajo de la aleta
aguas abajo 20 y de una rampa central que está dispuesta entre las
aletas aguas arriba 18 y aguas abajo 20.
La caja de control 26 comprende igualmente un
tubo colector de aire (no representado en las figuras) para
alimentar de aire las rampas de circulación de aire 28, 30 y 32.
Este tubo colector de aire rodea las rampas 28, 30 y 32 y las
alimenta de aire por intermedio de conductos de aire (no
representados en las figuras).
De acuerdo con la invención, cada rampa de
circulación de aire 28, 30 y 32 de la caja de control 26 presentan
al menos una fila superior de N perforaciones 34 dispuestas enfrente
de una de las caras laterales de las aletas 18, 20 y al menos una
fila inferior de 2N perforaciones 36 dispuestas enfrente de un radio
de empalme entre las aletas 18, 20 y el cárter 14 del conjunto de
anillo fijo.
Las perforaciones 34, 36, que se obtienen, por
ejemplo, por láser, permiten descargar el aire que circula por las
rampas 28, 30 y 32 sobre las aletas 18, 20 con el fin de modificar
su temperatura.
Como está ilustrado en las figuras 1 y 2, la
rampa aguas arriba 28 comprende, en el lado de la pared aguas abajo
28b, al menos una fila superior de N perforaciones 34 dispuestas
enfrente de la cara lateral aguas arriba 18a de la aleta aguas
arriba 18 y al menos una fila inferior de 2N perforaciones 36
dispuestas enfrente de un radio de empalme 18c entre la aleta aguas
arriba 18 y el cárter 14 del conjunto de anillo fijo. En la pared
aguas arriba 28a de la rampa aguas arriba 28 no está practicada
ninguna perforación.
Asimismo, la rampa aguas abajo 30 comprende, en
el lado de su pared aguas arriba 30a, al menos una fila superior de
N perforaciones 34 dispuestas enfrente de la cara lateral aguas
abajo 20b de la aleta aguas abajo 20 y al menos una fila inferior
de 2N perforaciones 36 dispuestas enfrente de un radio de empalme
20d entre la aleta aguas abajo 20 y el cárter 14 del conjunto de
anillo fijo. En la pared aguas abajo 30b de la rampa 30 no está
practicada ninguna perforación.
Preferentemente, la rampa central 32 comprende
al menos dos filas superiores de N perforaciones 34 cada una
dispuestas enfrente de las caras laterales 18b, 20a de las aletas
aguas arriba 18 y aguas abajo 20, y al menos dos filas inferiores
de 2N perforaciones 36 cada una dispuestas enfrente de los radios de
empalme 18d, 20c entre las aletas aguas arriba 18 y aguas abajo 20
y el cárter 14 del conjunto de anillo fijo.
En efecto, en el lado de su pared aguas arriba
32a, la rampa central 32 comprende al menos una fila superior de N
perforaciones 34 dispuestas enfrente de la cara lateral aguas abajo
18b de la aleta aguas arriba 18 y al menos una fila inferior de 2N
perforaciones 36 dispuestas enfrente de un radio de empalme 18d
entre la aleta aguas arriba 18 y el cárter 14 del conjunto de
anillo fijo.
En el lado de su pared aguas abajo 32b, la rampa
central 32 comprende al menos una fila superior de N perforaciones
34 dispuestas enfrente de la cara lateral aguas arriba 20a de la
aleta aguas abajo 20 y al menos una fila inferior de 2N
perforaciones 36 dispuestas enfrente de un radio de empalme 20c
entre la aleta aguas abajo 20 y el cárter 14 del conjunto de anillo
fijo.
En otras palabras, en cada rampa de circulación
de aire 28, 30 y 32 de la caja de control 26, las perforaciones de
descarga de aire 34, 36 están dispuestas en dos filas, con las dos
terceras partes de las perforaciones en la fila inferior y la
tercera parte restante en la fila superior. El aire procedente de
las 2N perforaciones 36 de cada fila inferior "impacta" sobre
la zona inferior de las aletas 18, 20, mientras que el aire
descargado por las N perforaciones 34 de cada fila superior impacta
sobre una zona media de las
aletas.
aletas.
De esta manera, el intercambio térmico obtenido
con las aletas es homogéneo y permite una mayor amplitud de
desplazamiento del cárter para controlar la holgura en el vértice de
los álabes de la turbina. Cálculos de influencias térmicas han
permitido demostrar que una configuración de este tipo permite ganar
hasta más de 50ºC en la temperatura media de una aleta con respecto
a una configuración de una sola fila de perforaciones.
De acuerdo con una característica ventajosa de
la invención, las rampas aguas arriba 28 y aguas abajo 30 presentan,
cada una, secciones de descarga de aire sensiblemente idénticas y
la rampa central 32 presenta una sección de descarga de aire que es
sensiblemente dos veces mayor que la sección de las rampas aguas
arriba 28 y aguas abajo 30. En efecto, estando perforada
ventajosamente la rampa central 32 en sus dos lados, el caudal de
aire que circula por esta rampa debe ser el doble del caudal de
aire que circula por las rampas aguas arriba 28 y aguas abajo
30.
De acuerdo con otra característica ventajosa de
la invención, las N perforaciones 34 de cada fila superior y las 2N
perforaciones 36 de cada fila inferior presentan, en cada rampa de
circulación de aire 28, 30 y 32, secciones de descarga de aire
sensiblemente idénticas.
De este modo, una tercera parte del caudal de
aire que circula por la rampa central 32 es descargada por cada una
de las dos filas inferiores de perforaciones 36 y una sexta parte
del mismo caudal de aire es evacuada por cada una de las dos filas
superiores de perforaciones 34. Asimismo, dos terceras partes del
caudal de aire que circula por las rampas aguas arriba 28 y aguas
abajo 30 es descargada por las filas inferiores de perforaciones 36
de estas rampas y una tercera parte del mismo caudal de aire es
evacuada por las filas superiores de perforaciones 34 de estas
rampas.
De acuerdo todavía con otra característica
ventajosa de la invención ilustrada en la figura 3, las N
perforaciones 34 de cada fila superior y las 2N perforaciones 36 de
cada fila inferior están dispuestas al tresbolillo en cada rampa de
circulación de aire.
Además, en cada rampa de circulación de aire 28,
30 y 32, las perforaciones 34 de cada fila superior y las
perforaciones 36 de cada fila inferior están, preferentemente,
espaciadas regularmente todo alrededor del eje longitudinal
X-X del cárter 14 del conjunto de anillo fijo.
Cuando las perforaciones 34, 36 de las filas
inferior y superior presentan, cada una, una sección recta
sensiblemente circular, el espaciamiento angular entre dos
perforaciones 34 adyacentes de una misma fila superior corresponde,
ventajosamente, al menos a tres veces el diámetro de las
perforaciones.
La elección del número y del diámetro de las
perforaciones 34, 36 de descarga de aire puede ser optimizada por
una modelación que se basa en un compromiso entre una ventilación
eficaz de las aletas y las limitaciones de fabricación de la caja
de control. A título de ejemplo, en aletas que tienen una altura
radial de 18 mm, podrán realizarse 288 perforaciones en cada fila
superior y 576 perforaciones en cada fila inferior (lo que
corresponde a un valor de 288 para N). Para esta configuración, el
diámetro de cada perforación podrá ser fijado en 1 mm y el
espaciamiento entre dos perforaciones adyacentes de una fila
superior podrá ser de 3,8 mm (lo que corresponde a 3,8 veces el
diámetro de las perforaciones).
Claims (8)
1. Dispositivo de control de holgura entre un
vértice (4a) de álabes giratorios (4) y un conjunto de anillo fijo
de una turbina de gas (2), comprendiendo el citado conjunto de
anillo fijo un cárter anular (14) que tiene un eje longitudinal
(X-X) y provisto de al menos dos aletas anulares
(18, 20) espaciadas axialmente una de otra y que se extienden
radialmente hacia el exterior del citado cárter (14), comprendiendo
el citado dispositivo de control de holgura una caja circular de
control (26) que rodea el cárter (14) del conjunto de anillo fijo,
comprendiendo la citada caja de control (26):
medios de circulación de aire formados al menos
por tres rampas anulares (28, 30, 32) espaciadas axialmente una de
otra y dispuestas a una y otra parte de las caras laterales de cada
una de las aletas (18, 20);
medios de alimentación de aire para facilitar
aire a las rampas de circulación de aire (28, 30, 32); y
medios de descarga de aire sobre las aletas (18,
20) para modificar la temperatura del conjunto de anillo fijo,
caracterizado porque los medios de
descarga de aire están formados, en cada rampa de circulación de
aire (28,30, 32), por al menos una fila superior de N perforaciones
(34) dispuestas enfrente de una de las caras laterales (18a,
18b,20a, 20b) de las aletas (18, 20) y por al menos una fila
inferior de 2N perforaciones (36) dispuestas enfrente de un radio
de empalme (18c, 18d, 20c, 20d) entre las aletas (18, 20) y el
cárter (14) del conjunto de anillo fijo.
2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
1, en el cual las aletas se componen de una aleta aguas arriba (18)
y de una aleta aguas abajo (20) y las rampas se componen de una
rampa aguas arriba (28) dispuesta aguas arriba de la aleta aguas
arriba (18), de una rampa aguas abajo (30) dispuesta aguas abajo de
la aleta aguas abajo (20) y de una rampa central (32) dispuesta
entre la aleta aguas arriba (18) y la aleta aguas abajo (20),
caracterizado porque la rampa central (32) comprende al menos
dos filas superiores de N perforaciones (34) cada una dispuestas
enfrente de caras laterales (18b, 20a) de las aletas aguas arriba
(18) y aguas abajo (20), y al menos dos filas inferiores de 2N
perforaciones (36) cada una dispuestas enfrente de radios de empalme
(18d, 20c) entre las aletas aguas arriba y aguas abajo y el cárter
(14) del conjunto de anillo fijo.
3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
2, caracterizado porque las rampas aguas arriba (28) y aguas
abajo (30) presentan, cada una, secciones de descarga de aire
sensiblemente idénticas y la rampa central (32) presenta una
sección de descarga de aire que es sensiblemente dos veces mayor que
la sección de las citadas rampas aguas arriba y aguas abajo.
4. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque las N
perforaciones (34) de cada fila superior y las 2N perforaciones
(36) de cada fila inferior están dispuestas al tresbolillo.
5. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque las N
perforaciones (34) de cada fila superior y las 2N perforaciones
(36) de cada fila inferior presentan secciones de descarga de aire
sensiblemente idénticas.
6. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las N
perforaciones (34) de cada fila superior y las 2N perforaciones
(36) de cada fila inferior están regularmente espaciadas todo
alrededor del eje longitudinal (X-X) del cárter (14)
del conjunto de anillo fijo.
7. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, en el cual las perforaciones (34, 36)
de las filas inferior y superior, presentan, cada una, una sección
recta sensiblemente circular, caracterizado porque el
espaciamiento angular entre dos perforaciones adyacentes (34) de una
misma fila superior corresponde al menos a tres veces el diámetro
de las citadas perforaciones.
8. Dispositivo de acuerdo con una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las rampas
de circulación de aire (28, 30, 32) se adaptan aproximadamente a la
forma de las aletas (18, 20).
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