ES2327726T3 - Virola ceramica para turbina. - Google Patents

Abstract

Una turbina de gas con una pluralidad de virolas interiores (10) y exteriores (12), donde dicha pluralidad de virolas interiores (10) están fabricadas de un material cerámico, teniendo cada una de dicha pluralidad de virolas exteriores (12) unos ganchos delanteros y traseros para sujetar determinadas de dicha pluralidad de virolas interiores (10) contra una de dicha pluralidad de virolas exteriores (12), caracterizada porque se dispone de una pluralidad de sistemas de pasador y muelle (18) para sujetar cada una de dicha pluralidad de virolas interiores (10) contra dicho gancho delantero (14) de una correspondiente de dicha pluralidad de virolas exteriores (12).

Description

Virola cerámica para turbina.

La invención se refiere a virolas de turbinas de gas y, más particularmente, a una virola de turbina de gas fabricada de un material cerámico.

Las turbinas de gas industriales tienen normalmente la primera etapa de la sección de la turbina diseñada sin virolas de conducción del flujo fijadas a las paletas aerodinámicas de la turbina, cumpliendo las virolas estáticas de la turbina la importante función de mantener los gases de combustión calientes en la zona anular adecuada, conservando de este modo la presión de la trayectoria de flujo mientras que las paletas aerodinámicas de la turbina pueden extraer debidamente la energía. La virola realiza esta función controlando estrechamente la holgura entre la superficie interior de la virola y la punta de las paletas aerodinámicas de la turbina.

Una virola de turbina metálica convencional tiene unos límites de temperatura que requieren un flujo de aire que atraviese la turbina de gas para mantenerla refrigerada por debajo de su límite de temperatura crítica. La fuente de este aire de refrigeración procede de la descarga del compresor que no tiene todavía añadida suficiente energía procedente de la cámara de combustión. Sin embargo el hecho de desviar aire para refrigerar la virola interior metálica de la turbina reduce el rendimiento de la turbina de gas.

Además se necesita una cantidad relativamente grande de virolas metálicas interiores con el fin de poder disponer de una cantidad relativamente grande de intersticios de expansión entre las virolas interiores con el fin de anular los efectos de dilatación térmica de las virolas metálicas interiores.

El documento US 4.087.199 da a conocer un conjunto de virola cerámica de turbina para motores de turbina de gas. Se disponen unos bloques cerámicos de forma generalmente rectangular plana, estando provisto cada bloque de una pareja de superficies en cola de milano formadas en lados opuestos de él. Unos medios de amarre metálicos en forma de elementos a modo de muelles anulares sujetan los bloques en el conjunto y producen una fuerza radial precargada contra las superficies en cola de milano.

Al sustituir las virolas metálicas interiores por virolas interiores cerámicas para alta temperatura se reduce notablemente o incluso se elimina la necesidad del flujo de aire de refrigeración. El hecho de eliminar la necesidad de aire de refrigeración para reducir la temperatura de las virolas permite que penetre mayor cantidad de aire en la cámara de combustión y se añada energía carburante de modo que la sección de la turbina lo pueda extraer. Debido a esta cantidad adicional de aire combustido, la turbina de gas puede extraer mayor cantidad de energía para mover el generador, creando de este modo mayor cantidad de energía eléctrica y con un mayor rendimiento de la turbina de gas (ciclo simple y combinado). Por lo tanto la sustitución de las virolas metálicas interiores actuales por virolas cerámicas compuestas capaces de soportar temperaturas más altas sirve para eliminar o reducir el aire de refrigeración que reduce las prestaciones.

El uso de virola cerámicas con superior capacidad térmica también puede permitir utilizar un número menor de virolas interiores que con el diseño metálico actual. Los ahorros realizados mediante la invención pueden incluir un menor número de piezas, menor número de vías de escape y una superior capacidad térmica de combustión.

La invención se describirá a continuación con mayor detalle a título de ejemplo con referencia a los dibujos, en los cuales:

la Fig. 1 es una vista en sección de un ejemplo de realización de la presente invención; y

la Fig. 2 es una vista en sección parcial a lo largo de las líneas 2-2 de la Fig. 1;

la Fig. 3 es una vista en sección transversal expandida periféricamente de la Fig. 2.

La Fig. 1 muestra una vista en sección transversal del diseño de la virola inferior de material cerámico compuesto a lo largo de la dirección del flujo de aire de la turbina de gas. La virola interior 10 está hecha de un material cerámico compuesto de fibra continua (CFCC) utilizando unos métodos de procesado conocidos para los expertos en el arte. La virola exterior 12 puede ser metálica. Los extremos anterior y posterior de la virola interior 10 están acodados para alejarlos de la trayectoria del flujo, que es de izquierda a derecha a lo largo de la virola interior 10 en la Fig. 1, mientras que la forma de la superficie a lo largo de la trayectoria del flujo es idéntica al perfil de la virola actual de la etapa 1 de la turbina de gas clase "F" de General Electric Corporation.

Tal como se puede ver en las Fig. 2 y 3, normalmente hay una pluralidad de virolas interiores asociadas a una virola exterior 12. Las virolas interiores 10 van solapadas entre sí con el fin de sellar contra la entrada de los gases de combustión calientes. Por ejemplo en la Fig. 3 se ven tres virolas interiores cerámicas 10 por cada virola exterior metálica 12. Ahora bien, en la práctica se podrían utilizar en la invención un número menor de tres virolas interiores cerámicas 10 por cada virola exterior metálica 12. Las virolas exteriores 12 tienen entre ellas una separación relativamente mayor que las virolas interiores 10, para tener en cuenta la mayor dilatación de las virolas exteriores
metálicas 12.

La virola interior 10 va sujeta por unos ganchos delanteros y posteriores, 14, 16 respectivamente, fijados a la virola exterior 12. Las superficies de los ganchos delanteros y posteriores 14 y 16 que están expuestas a la trayectoria del flujo llevan un recubrimiento de barrera térmica (TBC) para proporcionarles aislamiento térmico. La delgada capa de TBC va aplicada a la virola exterior 12 con el fin de actuar como interfaz de la zona de contacto entre los componentes metálicos y los componentes de CFCC. Esto es necesario para evitar la destrucción y erosión del CFCC causada por el contacto con los iones metálicos.

Un sistema 18 de pasador y muelle mantiene la virola interior 10 contra el gancho delantero 14 de la virola exterior 12. El sistema 18 de pasador y muelle incluye un pasador metálico 20 que atraviesa la virola exterior 12 y el escudo térmico 22 hasta la superficie superior de la curva delantera de la virola interior 10. La cabeza del pasador metálico 20 también lleva un recubrimiento de TBC para proporcionar la separación entre las superficies de metal y cerámica. El sistema 18 de pasador y muelle incluye un anillo de sellado 24 que funciona de modo semejante a un segmento de pistón de automóvil para impedir que los gases de conducción calientes lleguen a la disposición del muelle. La barrera térmica 22 es necesaria para proteger contra los gases de combustión calientes la virola exterior 12, de una aleación de temperatura más baja.

El pasador metálico anti-rotación 26 sujeta la curva posterior de la virola interior 10 contra el gancho posterior 16 de la virola exterior 12. El pasador anti-rotación 26 atraviesa la virola exterior 12 y el escudo térmico 22, y encaja en una depresión recubierta de TBC en la parte superior del extremo posterior de la virola interior 10. La introducción del pasador 26 en la depresión impide el movimiento lateral (periférico) de la virola interior 10.

Entre el centro del escudo térmico 22 y la virola 10 está situado el sistema 28 de muelle y pasador que proporciona la amortiguación de la virola interior 10. Tal como se puede ver en la Fig. 2, el sistema 28 de muelle amortiguador y pasador incluye el pasador 32, el muelle 34 y el retén de lámina 36. Como se puede ver más claramente en las Fig. 2 y 3, hay una pluralidad de conjuntos 28 de muelle amortiguador y pasador dispuestos periféricamente entre las virolas interiores 10 y los escudos térmicos 22.

A efectos de claridad, el retén de lámina 36 solamente se ha representado en la Fig. 2. El retén de lámina 36 está incorporado con el sistema 28 amortiguador del muelle y pasador para reducir al mínimo la cantidad de gases de combustión calientes que pasen en derivación sobre las puntas de la turbina. Este retén es del mismo tipo que el último utilizado en los motores de aviación GE y en la turbina de gas 9/7H.

Otras funciones adicionales realizadas por la virola exterior 12 son la reacción a las cargas axiales procedentes de la tobera de la etapa 1 (no representada) así como proporcionar una superficie de sellado para el retén 30 de articulación cordal de la tobera de la etapa 1. El retén de articulación cordal 30 efectúa el sellado para impedir que el flujo de descarga del compresor escape al interior del flujo de gas. Además de formar el gancho delantero 14 para la virola interior 10, el retén de articulación cordal 30 realiza la función de transmitir las cargas de tobera de la etapa 1 a la virola exterior 12 y de allí ala carcasa exterior. El retén de articulación cordal 30 también proporciona una superficie contra la que se efectúa el sellado de la virola exterior 12, y va atornillado mediante tornillos de cabeza avellanada y está enclavijad en el sitio (no representado).

Claims (6)

1. Una turbina de gas con una pluralidad de virolas interiores (10) y exteriores (12), donde dicha pluralidad de virolas interiores (10) están fabricadas de un material cerámico, teniendo cada una de dicha pluralidad de virolas exteriores (12) unos ganchos delanteros y traseros para sujetar determinadas de dicha pluralidad de virolas interiores (10) contra una de dicha pluralidad de virolas exteriores (12), caracterizada porque se dispone de una pluralidad de sistemas de pasador y muelle (18) para sujetar cada una de dicha pluralidad de virolas interiores (10) contra dicho gancho delantero (14) de una correspondiente de dicha pluralidad de virolas exteriores (12).

2. La turbina de gas de la reivindicación 1, en la que dicho material cerámico es cerámica compuesta de fibra continua.

3. La turbina de gas de las reivindicaciones 1 ó 2, en la que la pluralidad de virolas exteriores (12) están fabricadas de metal y en la que se utiliza un recubrimiento de TBC en los interfaces cerámica/metal.

4. La turbina de gas de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las superficies de dichos ganchos delantero (14) y traseros (16) están recubiertos de TBC.

5. La turbina de gas de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo además una pluralidad de pasadores anti-rotación (26) para sujetar cada una de dicha pluralidad de virolas cerámicas interiores (10) contra dicho gancho posterior (16) de una correspondiente de dicha pluralidad de virolas exteriores (12).

6. La turbina de gas de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo además un escudo térmico (22) dispuesto dentro de cada una de dicha pluralidad de virolas exteriores (12), y una pluralidad de sistemas amortiguador de muelle y pasador (28), estando dispuesto cada uno de dicha pluralidad de sistemas amortiguador de muelle y pasador (28) entre una superficie interior de una de dicha pluralidad de virolas interiores (10) y dicho escudo
térmico (22).