ES2322438T3 - Turbina de gas y procedimiento para refrigerar una turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Turbina de gas con un árbol de turbina (1), que presenta varios discos (3, 4, 5) dispuestos unos junto a otros, a los que pueden fijarse en cada caso varios álabes de paleta (14) en forma de estrella, en donde estos pueden refrigerarse con al menos un refrigerante (10, 12, 13), que circula a través de canales de refrigerante dentro de los álabes de paleta (14), en donde entre dos discos (3, 4, 5) directamente adyacentes en dirección radial están confinadas varias cavidades (8, 9, 20), que en cada caso abrazan el árbol de turbina (1) en dirección periférica y en las que imperan refrigerantes (10, 12, 13) a diferentes presiones, en donde el refrigerante o los refrigerantes (10, 12, 13) puede(n) afluir a las cavidades (8, 9, 20) o fluir hacia fuera de las mismas, caracterizada porque se obturan unas respecto a las otras las cavidades (8, 9, 20) radialmente adyacentes mediante una junta (6) basada en la fuerza centrífuga, que hace contacto con los dos discos (3, 4, 5) adyacentes en un bisel.
Description
Turbina de gas y procedimiento para refrigerar
una turbina de gas.
La invención se refiere a una turbina de gas con
un árbol de turbina, que presenta varios discos dispuestos unos
junto a otros, a los que pueden fijarse en cada caso varios álabes
de paleta en forma de estrella, en donde estos pueden refrigerarse
con al menos un refrigerante, que circula a través de canales de
refrigerante dentro de los álabes de paleta, y a un procedimiento
para refrigerar la misma.
Las turbinas se usan en muchos campos,
fundamentalmente como propulsores en la industria aeronáutica y para
obtener energía. En el caso de la obtención de energía se
diferencia entre turbinas de gas y turbinas de vapor, en donde se
usan ambas con frecuencia simultáneamente en las llamadas
instalaciones GuD para accionar generadores. En la turbina de gas,
que se considera a continuación, se enciende una mezcla de
combustible y aire en una cámara de combustión, desde donde el
medio de trabajo que con ello se produce se expande en la dirección
de los álabes de paleta, produciendo energía, hacia fuera de los
mismos. La energía del medio de trabajo se transforma en energía de
movimiento mediante los álabes de paleta, que se transmite a
generadores con la rotación del árbol de turbina.
La mezcla de medio de combustión y aire
combustiona normalmente a una temperatura de entre 1.200ºC y 1.300ºC
con pocas emisiones y consigue con ello un elevado grado de
eficacia. En general el grado de eficacia puede aumentarse todavía
más mediante un aumento adicional de la temperatura de
combustión.
A estas elevadas temperaturas de combustión del
medio de trabajo se imponen a los componentes de la turbina de gas,
que entran en contacto con el medio de trabajo, los máximos
requisitos en cuanto a resistencia térmica, resistencia mecánica y
vida útil. Con ello se pretende alcanzar el mayor grado de eficacia
posible teniendo en cuenta el riesgo operacional y la rentabilidad
de los componentes aislados.
También para los álabes de paleta se exige una
resistencia térmica, una larga vida útil y una elevada fiabilidad.
Para que los álabes de paleta de la primera fila de álabes de
paleta, según se mira en la dirección de corriente del medio de
trabajo, resistan las máximas cargas térmicas, se refrigeran de
forma conocida. Para esto generalmente se hace pasar por ellos
huecos, que forman un sistema de canales ramificado en el que
circula un refrigerante. Como refrigerante se usa aire comprimido o
vapor, o también ambas cosas simultáneamente. El vapor muestra con
ello una característica de refrigeración mejor que el aire
comprimido. Sin embargo, el vapor impone una mayor reivindicación
sobre la estanqueidad del sistema de refrigeración completo, lo que
significa una mayor complejidad de fabricación para el guiado de
refrigerante.
Se sabe que los álabes de paleta se refrigeran
con aire y/o vapor. La refrigeración por aire puede realizarse como
refrigeración abierta y cerrada, pero la refrigeración por vapor
sólo es conveniente como sistema de refrigeración cerrado. Para la
refrigeración de álabes de paleta de una turbina de gas sólo puede
mantenerse la elevada diferencia de presión entre medio de trabajo
y refrigerante mediante una elevada complejidad técnica. Para
bloquear las regiones entre sí se necesita un sistema de obturación
complicado por el recorrido de guiado del refrigerante, para
mantener reducidas las pérdidas por fuga y de este modo garantizar
una refrigeración eficiente. Suponen un inconveniente las enormes
complicaciones económicas y técnicas para ello necesarias, que
conducen además a la reducción de la seguridad de funcionamiento y
de la fiabilidad a causa de la complicada técnica.
Se conoce por ejemplo del documento EP 0 806 544
A1 y del documento EP 0 900 919 A2 en cada caso un rotor de
turbina, mediante el cual abastece de vapor fresco para refrigerar
los álabes de paleta fijados al mismo y mediante el cual puede
evacuarse el vapor usado.
Con ello se produce la alimentación de vapor
fresco a través de un canal de abastecimiento, que está situado en
el rotor más interiormente que el canal a través del cual se evacua
el vapor usado.
La alimentación de refrigerante a álabes de
paleta aislados de las diferentes filas de álabes de paleta es muy
difícil a causa de las disposiciones de los distintos elementos
implicados y exige una elevada complejidad, para garantizar la
estanqueidad requerida del sistema y un riesgo operacional
reducido.
La tarea de la presente invención consiste en
aumentar el grado de eficacia de la turbina de gas con una
complejidad asumible económicamente, al mismo tiempo reducir el
riesgo operacional y/o aumentar la vida útil de los elementos y la
fiabilidad de la turbina de gas.
Esta tarea es resuelta conforme a la invención
por medio de que entre dos discos directamente adyacentes en
dirección radial están confinadas varias cavidades, que en cada caso
abrazan el árbol de turbina en dirección periférica y en las que
imperan refrigerantes a diferentes presiones, en donde el
refrigerante o los refrigerantes puede(n) afluir a las
cavidades o fluir hacia fuera de las mismas.
La invención parte con ello de la idea de que el
riesgo operacional puede reducirse mediante una simplificación de
la alimentación de refrigerante de los álabes de paleta. La
ventajosa reducción del número de juntas de aquí resultante, con un
acortamiento simultáneo de la longitud de obturación remanente,
aumenta la seguridad de funcionamiento, reduce la probabilidad de
averías y disminuye las pérdidas por fuga del refrigerante. Además
de esto pueden utilizarse sistemas de obturación más sencillos, que
también reducen el riesgo operacional. En las diferentes cavidades
entre dos discos adyacentes fluyen con ello varios refrigerantes de
diferente calidad, que son refrigerantes "frescos" como aire
fresco y/o vapor fresco, que se guían hasta los álabes de paleta,
y/o refrigerantes "usados" como aire usado y/o vapor usado que
son guiados hacia fuera de los álabes de paleta. El aprontamiento
sencillo y fiable de los refrigerantes permite el uso eficiente de
los mismos y hace posible en consecuencia un aumento del grado de
eficacia que aporta ganancias, ya que los elementos constructivos
expuestos al medio de trabajo soportan mayores temperaturas.
Con ello se obturan de forma extraordinariamente
eficiente unas respecto a las otras las cavidades radialmente
adyacentes mediante juntas basadas en la fuerza centrífuga, que
hacen contacto en cada caso con los dos discos adyacentes en un
bisel. Este modo y manera extraordinariamente fiable de obturación
de regiones radialmente adyacentes reduce las pérdidas por fuga en
refrigerante.
Se obtiene una unión segura absolutamente
estanca de forma ventajosa si los canales de refrigerante integrados
de cada álabe de paleta, dispuestos sobre uno y el mismo disco, se
comunican a través de un taladro o paso radial con una y la misma
cavidad, que es confinada con un disco adyacente.
De forma ventajosa al menos una de las cavidades
se comunica con un abastecimiento de refrigerante o
desabastecimiento de refrigerante.
Según un procedimiento para refrigerar álabes de
paleta de una turbina de gas, que está configurada conforme al
preámbulo de la reivindicación 1, se propone que la presión del
refrigerante, que circula a través de una cavidad, sea mayor que la
presión del refrigerante que circula a través de la cavidad
radialmente más cerca exteriormente. En el caso desfavorable de un
defecto de una junta por fuerza de gravedad fundamentalmente muy
robusta sólo se producen pérdidas por fuga en consecuencia desde una
etapa de presión a la siguiente inferior, es decir, desde una
cavidad a la radialmente más cerca exteriormente.
Con ello está previsto que en la cavidad
radialmente más interna circule vapor fresco, en la cavidad más
cerca exteriormente vapor usado y en la siguiente cavidad
exteriormente aire fresco.
Las turbinas de gas se hacen funcionar con
frecuencia con turbinas de vapor multi-etapa (como
instalaciones GuD), que necesitan como medio de trabajo vapor con
diferentes presiones. Del medio de trabajo vapor de una turbina de
vapor de alta presión se extrae una parte y se utiliza para
refrigerar piezas constructivas de una turbina de gas. La parte
extraída del vapor se designa en esta solicitud como vapor fresco y
presenta una presión en un orden de magnitud de aproximadamente 40
bar. El vapor usado, con aproximadamente 30 bar, que queda atrás
tras la refrigeración de las piezas constructivas expuestas al gas
caliente, puede alimentarse como medio de trabajo a una turbina de
vapor de presión media. El refrigerante vapor se usa de este modo
varias veces aportando ganancias. Las partes de fuga del vapor
fresco existentes en caso de fallo sólo se producen a causa de la
caída de presión en la dirección del vapor usado y se mezclan con
éste. El vapor usado se alimenta de nuevo a la turbina de vapor de
presión media y de este modo se reducen las pérdidas provocadas por
la fuga. En el caso de que una parte del vapor usado circule a
causa de la fuga en la dirección de la presión reducida y se mezcle
con el aire fresco, esta parte se sigue usando asimismo para
refrigerar aportando beneficios. Las partes de refrigerante sólo se
pierden si se producen faltas de estanqueidad entre la región, en la
que circula el aire fresco, y el canal de flujo del medio de
trabajo de la turbina de
gas.
gas.
La invención representa de este modo un sistema
multi-capa radial de regiones mutuamente
apantalladas, en las que reinan diferentes presiones. Con ello
impera una caída de presión según se mira radialmente desde dentro
hacia fuera. La presión máxima impera, provocada por el vapor
fresco, según se mira radialmente en la cavidad más interior de dos
discos adyacentes, radialmente más hacia fuera en la cavidad
siguiente de la presión siguiente más baja, provocada por el vapor
usado, radialmente más hacia fuera en la cavidad más exterior de la
presión siguiente más baja, provocada por el aire fresco, y en el
canal de flujo, que está dispuesto entre el árbol de turbina y el
estator, se presenta la presión más baja, provocada por el medio de
trabajo. Son ventajosas las longitudes de obturación cortas que
discurren entre los discos en dirección periférica, al mismo tiempo
que un número reducido de elementos de obturación y la disposición
por capas que aporta ganancias de los refrigerantes de diferente
presión, que hacen posible una reutilización parcialmente provechosa
de la corriente de fuga.
Con base en el dibujo se explica la invención
con más detalle a modo de ejemplo. Muestra en parte esquemáticamente
y no a escala la única figura de dibujo una turbina de gas con un
árbol de turbina.
La única figura del dibujo muestra un corte a
través de una turbina de gas 17 a lo largo del eje de giro 2 del
árbol de turbina 1. Dispuestos unos junto a otros sobre el árbol de
turbina 1 se encuentran los discos 3, 4 y 5. En cada caso sobre
estos discos 3, 4 y 5 están fijados en anillos de álabes de paleta
16 álabes de paleta 14 agrupados de la primera, segunda y tercera
etapa de turbina. Cada etapa de turbina está formada por un anillo
de álabes de paleta aplicado al estator 18 en unión a un anillo de
álabes de paleta 16, postconectado al mismo según se mira en la
dirección de corriente del medio de trabajo A. También los álabes
guía 15 se abastecen de aire fresco a través de un abastecimiento
externo no mostrado, lo que se representa mediante las flechas de
corriente 10.
La cámara de combustión 19 parcialmente
representada de la turbina de gas 17 desemboca en el canal de flujo
11 del medio de trabajo A. Durante el funcionamiento de la turbina
de gas 17 circula el medio de trabajo A, procediendo de la cámara
de combustión 19, a través del canal de flujo 11. Con ello circula a
lo largo de los álabes guía 15 y actúa sobre los álabes de paleta
14 produciendo energía.
Los discos 3, 4 y 5 adyacentes dispuestos sobre
el árbol de turbina 1 confinan entre ellos cavidades 8, 9, 20 que
abrazan anularmente el árbol de turbina. La cavidad interior 8 está
situada radialmente con relación a la cavidad central 9. En
dirección radial hacia fuera la cavidad exterior 20 abraza la
cavidad central 9. La cavidad interior 8 está obturada con respecto
a la cavidad central 9 mediante una junta 6 basada en la fuerza
centrífuga, que está obturada igualmente a través de una junta
basada en la fuerza centrífuga con respecto a la cavidad 20. No se
ha representado que la junta basada en la fuerza centrífuga
compuesta por un hilo obturador está aplicada a ambos discos
adyacentes en un bisel, para posicionar estos de forma segura. La
cavidad interior 8 presenta un taladro o un paso 7, a través del
cual la cavidad 8 se comunica con la conexión de abastecimiento del
canal de refrigerante integrado del álabe de paleta 14. La cavidad
interior 8 sirve de este modo para abastecer con refrigerante los
álabes de paleta 14. Del mismo modo la cavidad 9 presenta un taladro
7, que se comunica con la conexión de desabastecimiento del canal
de refrigerante integrado del álabe de paleta 14.
El flujo de refrigerante se explica con base en
la segunda etapa de turbina 22. El vapor fresco fluye, representado
por las flechas de corriente 12 del vapor fresco, desde una fuente
de refrigerante axialmente a lo largo del árbol de turbina 1 hasta
la cavidad interior 8, que se forma entre los discos 3 y 4. El vapor
fresco es guiado a través del taladro 7 que discurre radialmente,
que discurre a través del disco 4, hasta una conexión de
abastecimiento de un álabe de paleta 14 de la segunda etapa de
turbina 22. En el álabe de paleta 14 el vapor fresco actúa
refrigerando y abandona el mismo a través de la conexión de
desabastecimiento. El otro taladro 7 radial dispuesto en la
conexión de desabastecimiento guía el vapor usado, representado por
las flechas de corriente 13, hasta la cavidad central 9, que está
confinada por los discos 4 y 5. Desde allí el vapor usado llega a
través de un canal axial hasta otra cavidad 23, desde donde se
transporta hacia fuera.
Desde una fuente de aire fresco no representada
se guía aire fresco 10 a través de los álabes guía 15 hasta una
cavidad 20, que está dispuesta radialmente más hacia fuera que la
cavidad 9. Desde esta cavidad 20 se alimenta el aire fresco a los
álabes de paleta 14. El aire fresco descargado por soplado sobre la
arista posterior de los álabes de paleta 14 se mezcla a
continuación con el medio de trabajo A de la turbina de gas 17.
Mediante la disposición conforme a la invención
de configurar cavidades coaxiales 8, 9, 20 radialmente distanciadas
entre los discos 3, 4 y 5, y obturar estos de forma sencilla y
fiable mediante juntas 6 basadas en la fuerza centrífuga, se ha
conseguido una disposición que aporta ganancias. En conexión con el
procedimiento de aplicar refrigerantes a las cavidades 8, 9 y 20
con diferente calidad y con diferentes presiones, en donde estas
presiones se reducen según se mira desde dentro hacia fuera, se
consigue una clara mejora con relación al estado de la técnica.
- 1
- Árbol de rotor
- 2
- Eje de giro del rotor
- 3
- Disco
- 4
- Disco
- 5
- Disco
- 6
- Junta basada en la fuerza centrífuga
- 7
- Taladro/Paso
- 8
- Cavidad interior
- 9
- Cavidad central
- 10
- Flecha de corriente para aire fresco
- 11
- Canal de flujo
- 12
- Flecha de corriente para vapor fresco
- 13
- Flecha de corriente para vapor usado
- 14
- Álabe de paleta
- 15
- Álabe guía
- 16
- Anillo de álabes de paleta
- 17
- Turbina de gas
- 18
- Estator
- 19
- Cámara de combustión
- 20
- Cavidad exterior
- 22
- Segunda etapa de turbina
- 23
- Cavidad adicional
- A
- Medio de trabajo
Claims (4)
1. Turbina de gas con un árbol de turbina (1),
que presenta varios discos (3, 4, 5) dispuestos unos junto a otros,
a los que pueden fijarse en cada caso varios álabes de paleta (14)
en forma de estrella, en donde estos pueden refrigerarse con al
menos un refrigerante (10, 12, 13), que circula a través de canales
de refrigerante dentro de los álabes de paleta (14), en donde entre
dos discos (3, 4, 5) directamente adyacentes en dirección radial
están confinadas varias cavidades (8, 9, 20), que en cada caso
abrazan el árbol de turbina (1) en dirección periférica y en las
que imperan refrigerantes (10, 12, 13) a diferentes presiones, en
donde el refrigerante o los refrigerantes (10, 12, 13)
puede(n) afluir a las cavidades (8, 9, 20) o fluir hacia
fuera de las mismas, caracterizada porque se obturan unas
respecto a las otras las cavidades (8, 9, 20) radialmente adyacentes
mediante una junta (6) basada en la fuerza centrífuga, que hace
contacto con los dos discos (3, 4, 5) adyacentes en un bisel.
2. Turbina de gas según la reivindicación 1,
caracterizada porque los canales de refrigerante integrados
de cada álabe de paleta (14), dispuestos sobre uno y el mismo disco
(3, 4, 5), se comunican a través de un taladro o paso (7) radial
con una y la misma cavidad (8, 9, 20), que es confinada con un disco
(3, 4, 5) adyacente.
3. Turbina de gas según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque al menos una de
las cavidades (8, 9, 20) se comunica con un abastecimiento de
refrigerante o desabastecimiento de refrigerante.
4. Procedimiento para refrigerar un álabe de
paleta (14) en una turbina de gas según la reivindicación 1, en
donde los refrigerantes (10, 12, 13) que circulan en su árbol de
turbina (1) presentan diferentes presiones y la presión de aquel
refrigerante (12, 13), que circula a través de una cavidad (8, 9),
es mayor que la presión de aquel refrigerante (13, 10), que circula
a través de la cavidad (9, 20) radialmente más cerca exteriormente,
caracterizado porque en la cavidad (8) radialmente más
interna circula vapor fresco (12), en la cavidad (9) más cerca
exteriormente como refrigerante vapor usado (13) y en la siguiente
cavidad (20) exteriormente aire fresco (10) como refrigerante.
Applications Claiming Priority (1)
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