ES2334717T3 - Alabe conductor para una turbina de gas. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas (1) con, al menos, dos cámaras de combustión y con una turbina, en la que se han dispuesto álabes directores (14), que están dispuestos en una corona, respectivamente con un cuerpo de base del álabe (28), abarcando cada cuerpo de base del álabe (28) un pie del álabe (18), una placa de cobertura (26) y una hoja de álabe (24) perfilada que se extiende entre medias, estando adosado sobre cada uno de los cuerpos de base del álabe (28) un cuerpo de guía del flujo (30) con una hoja deflectora anterior (32), que está conectada por delante de la hoja del álabe (24) con respecto al sentido de flujo del medio de trabajo (M) de la turbina de gas (1), caracterizada porque, al menos, dos álabes directores (14) de la corona de álabes directores presentan cuerpos de guía del flujo (30) con hojas deflectoras anteriores (32) diferentes.

Description

Álabe conductor para una turbina de gas.

La invención se refiere a una turbina de gas de conformidad con la parte introductoria de la reivindicación 1.

Las turbinas de gas son empleadas en muchos sectores para el accionamiento de generadores o de máquinas herramientas. En este caso, se aprovecha el contenido energético de un combustible para la generación de un movimiento de rotación de un árbol de una turbina. Con esta finalidad, el combustible es quemado en una pluralidad de quemadores, siendo alimentado aire comprimido por un compresor de aire. Por medio de la combustión del combustible se genera un medio de trabajo, que se encuentra bajo una presión elevada, con una elevada temperatura. Este medio de trabajo se conduce hasta una unidad de turbinas, que está conectada aguas abajo de cada uno de los quemadores, en la que se descomprime con generación de trabajo.

La unidad de turbinas, correspondiente a una turbina de gas, presenta una pluralidad de álabes del rodete giratorios, que están unidos con el árbol de la turbina, para llevar a cabo la transmisión del impulso del medio de trabajo hasta el árbol de la turbina. Los álabes del rodete están dispuestos con esta finalidad en forma de corona sobre el árbol de la turbina y forman, por consiguiente, una pluralidad de coronas de álabes del rodete o de series de álabes del rodete. La turbina y el compresor están dispuestos sobre un árbol común de la turbina, que se denomina también rotor de la turbina, con cuyo árbol está unido también el generador o bien la máquina herramienta y que está alojada, de manera giratoria, alrededor de su eje central.

De igual modo, la unidad de turbina abarca, de manera usual, una pluralidad de álabes directores, que son fijos, con el fin de llevar a cabo la conducción del flujo del medio de trabajo y para garantizar un rendimiento tan elevado como sea posible con respecto a la transmisión del impulso sobre los álabes del rodete. A su vez, estos álabes directores están fijados en forma de corona sobre una carcasa interna o sobre el estator de la turbina, con formación de coronas de álabes directores o de series de álabes directores. Los álabes del rodete sirven para el accionamiento del árbol de la turbina por medio de la transmisión del impulso desde el medio de trabajo, que fluye a través de la turbina. Los álabes directores sirven, por el contrario, para la conducción del flujo del medio de trabajo entre, respectivamente, dos series de álabes del rodete o de dos coronas de álabes del rodete, que se encuentran en posición sucesiva, visto en el sentido de flujo del medio de trabajo. En este caso, también se denomina etapa de la turbina a un par sucesivo, que está constituido por una corona de álabes directores, o por una serie de álabes directores, y por una corona de álabes del rodete, o por una serie de álabes del rodete.

Por regla general, un álabe director presenta una plataforma, que también se denomina pie del álabe, que está dispuesta sobre la carcasa interna de la turbina a modo de elemento de pared, destinado a la fijación del correspondiente álabe director, y que constituye el límite externo de un canal de gases calientes para el medio de trabajo, que pasa a través de la turbina. Para una guía eficiente del flujo del medio de trabajo en el sentido dirigido hacia la serie de álabes del rodete, que se encuentra a continuación de una serie de álabes directores, el álabe director presenta, así mismo, de manera usual una hoja de álabe perfilada, que está conformada sobre el pie del álabe. En este caso, la hoja del álabe se extiende, por un lado, entre el pie del álabe y, por otro lado, una placa de cobertura, que está conformada sobre la hoja del álabe, cuya placa de cobertura está limitada en la zona de la serie de álabes directores correspondiente al canal de los gases calientes para el medio de trabajo en el sentido dirigido hacia el árbol de la turbina. La hoja del álabe, así como el pie del álabe, que está conformado sobre la misma, y la placa de cobertura que está conformada igualmente sobre la misma, constituyen, en su conjunto, un cuerpo de base del álabe del correspondiente álabe director, que está realizado, de manera usual, en una sola pieza. Un cuerpo de base del álabe de este tipo puede ser fabricado, por ejemplo, por colada, en caso dado incluso en forma de monocristal.

En lo que se refiere a su diseño específico, es decir de manera especial en lo que se refiere a la elección de una geometría adecuada, de un dimensionado adecuado y/o de un material adecuado, es deseable adaptar dichos álabes directores específicamente a las características especiales y a las condiciones marco en su respectivo punto de aplicación, con objeto de garantizar un rendimiento tan elevado como sea posible en el momento de la conducción del flujo y en el momento de la transmisión del impulso. De manera especial, en el caso de las turbinas de gas con sistemas de cámaras de combustión, que presentan una pluralidad de cámaras de combustión tubulares que están distribuidas en la dirección periférica alrededor del árbol de la turbina, pueden producirse entonces oscilaciones locales, diferencias y faltas de homogeneidades, en lo que se refiere a las relaciones específicas de flujo y de temperatura que reinan en cada caso, en la dirección periférica alrededor del árbol de la turbina. Por consiguiente, especialmente en el caso de los álabes directores de la denominada primera serie de álabes directores, es decir de la serie de álabes directores que está dispuesta entre la cámara de combustión y la primera serie de álabes del rodete, visto en el sentido de flujo del gas caliente, la afluencia y la solicitación térmica del correspondiente álabe director dependen de una manera comparativamente pronunciada de la posición exacta de montaje del álabe director dentro de la serie de álabes directores.

Con el fin de tener en consideración estas condiciones de utilización diferentes del álabe director y, sin embargo, con objeto de garantizar un rendimiento especialmente elevado y una elevada seguridad en el trabajo para las turbinas de gas, se toma como base el caso del álabe director solicitado al máximo en la correspondiente serie de álabes directores a la hora del diseño de los álabes directores usualmente, de manera especial en lo que se refiere a la elección del material adecuado de tal manera, que los álabes directores, que están sometidos a una solicitación menor, sean diseñados usualmente con reservas de seguridad muy elevadas.

De manera alternativa, en dichas turbinas de gas pueden ser empleados también aquellos sistemas en los cuales se utilicen álabes directores adaptados de manera individual para disminuir el coste adicional de construcción y de instalación relacionado con el mantenimiento de elevadas reservas de seguridad. En tales sistemas se han previsto álabes directores que están adaptados individualmente a la respectiva posición de montaje lo cual condiciona, sin embargo, un elevado mantenimiento de piezas de repuesto y, de manera especial, en los casos de reparación condiciona una fabricación específica especial de los álabes directores adaptados a las condiciones marco individuales. De igual modo, tales sistemas únicamente pueden ser preparados con un elevado coste técnico y de instalación.

De la misma forma, se conoce por la publicación EP 1 298 286 A2 un conjunto de álabes directores para una turbina de gas destinada a una aeronave con álabes directores que pueden ser regulados durante el funcionamiento. Los álabes directores regulables abarcan en este caso, respectivamente, un cuerpo de flujo perfilado anterior y un cuerpo de flujo perfilado posterior, cuya distancia puede ser ajustada en función de la fase de vuelo de la aeronave.

Por consiguiente, la invención tiene como tarea proporcionar una turbina de gas del tipo que ha sido citado precedentemente, con la cual pueda alcanzarse un rendimiento mejorado con un coste de instalación y logístico que se mantiene especialmente bajo.

Con relación a la turbina de gas se resuelve la tarea, de conformidad con la invención, porque, al menos, dos álabes directores de la corona de los álabes directores presentan cuerpos de guía del flujo con hojas deflectoras anteriores diferentes.

La invención parte en este caso del razonamiento de que pueda extrapolarse de una manera especialmente eficaz, de conformidad con la invención, una homogeneización del perfil de flujo en el caso de una turbina de gas con una pluralidad de cámaras de combustión. Con objeto de contrarrestar en este caso de manera especialmente efectiva las faltas de homogeneidad que se presentan en el perfil de flujo recurriéndose a los grados de libertad que pueden ser alcanzados de manera adicional por medio de la conexión de hojas deflectoras anteriores, al menos dos de los álabes directores presentan cuerpos para la guía del flujo con hojas deflectoras anteriores diferentes. De este modo, pueden desviarse de una forma especialmente eficiente los flujos individuales de los gases calientes de cada una de las cámaras de combustión en el momento de la transición al canal anular de la turbina de conformidad con sus condiciones locales de flujo desde los cuerpos de guía del flujo que están adaptados de forma local.

Los álabes directores deberían presentar básicamente un elemento de construcción elemental normalizado y que pueda ser empleado para todas las posiciones de montaje para garantizar un coste de instalación y logístico que se mantenga a un nivel especialmente bajo, cuyo elemento de construcción elemental pueda ser empleado de manera adecuada especialmente en caso de reequipamiento y en caso de reparación para cualquier posición de montaje dentro de la correspondiente serie de álabes directores. Con esta finalidad, se ha previsto que el cuerpo de base del álabe esté configurado de una sola pieza en el correspondiente álabe director, cuyo cuerpo de base abarque el pie del álabe, la placa de cobertura y la hoja del álabe perfilada que se extiende entre los dos anteriores. Sin embargo, con el fin de poder garantizar una adaptación individual a las condiciones de los gases calientes y de afluencia, que están condicionadas de forma local, cuando se utilicen tales componentes normalizados, mantenidos de manera unitaria, se ha previsto la hoja deflectora anterior en forma de un álabe director anterior como complemente a este cuerpo de base del álabe, cuya geometría debe estar adaptada de una manera especialmente adecuada a las respectivas condiciones locales de flujo.

De este modo, pueden tenerse en consideración diferentes condiciones afluencia por delante de los cantos de entrada de la hoja del álabe propiamente dicha por medio de la elección adecuada de la geometría de la hoja deflectora anterior, pudiéndose compensar o al menos pudiéndose reducir las diferencias que han sido citadas. Para un montaje especialmente sencillo y, por lo tanto, para un coste, que se mantenga en un nivel especialmente bajo, la hoja deflectora anterior debería estar configurada en este caso, especialmente, de forma modular, de tal manera, que pueda prepararse el álabe director previsto para el montaje definitivo por medio de una agregación de la hoja deflectora anterior sobre el cuerpo de base del álabe de una forma comparativamente sencilla.

Precisamente, la forma de construcción modular posibilita una flexibilidad especialmente elevada, como consecuencia de la combinación del cuerpo de base del álabe con la hoja deflectora anterior, que está prevista como módulo adicional, por medio de una combinación adecuada de estos componentes, en el momento de la adaptación del álabe director a las condiciones individuales, recurriéndose en una medida especialmente elevada a componentes normalizados. Con objeto de aprovechar de una manera especialmente consecuente y ventajosa esta flexibilidad, se fabrica el cuerpo de guía del flujo, de manera preferente, a partir de un material más resistente a la temperatura en comparación con el cuerpo de base del álabe. De este modo, puede tenerse en consideración, de manera especial, que sea impulsado directamente con los gases calientes, que salen de las cámaras de combustión, el cuerpo de guía del flujo, que es el componente que está sometido a la mayor solicitación térmica precisamente en la primera serie de álabes directores. De manera especial, en este caso puede fabricarse el cuerpo de guía del flujo a partir de un material cerámico.

De manera especial, teniendo en consideración el mantenimiento especialmente sencillo de los trabajos de reparación o de mantenimiento, el cuerpo de guía del flujo debería estar alojado sobre el cuerpo de base del álabe para un montaje especialmente sencillo. Esto puede conseguirse, de manera especial, insertándose el cuerpo de guía del flujo ventajosamente entre el pie del álabe y la placa de cobertura del cuerpo de base del álabe. En otra configuración ventajosa, el cuerpo de guía del flujo puede estar unido, por un lado, de forma material, por medio de una unión por rozamiento y/o por medio de una unión positiva con el pie del álabe y con la placa de cobertura del cuerpo de base del álabe, especialmente puede estar unido por medio de una soldadura por fusión o por medio de un estañado.

De manera preferente, se ha previsto el equipamiento del cuerpo de base del álabe con el cuerpo de guía del flujo correspondiente para un álabe director de la primera serie de álabes directores.

Las ventajas, que son alcanzadas por medio de la invención, consisten, de manera especial, en que es posible de una manera especialmente sencilla la fabricación de álabes directores individualizados, adaptados específicamente a las condiciones de aplicación que varían de forma local por medio de la combinación del cuerpo de base del álabe con un cuerpo de guía del flujo, asociado con el mismo, recurriéndose ampliamente a componentes normalizados.

Incluso en el caso del cuerpo de base del álabe, realizado de manera normalizada, pueden compensarse o reducirse diferencias locales con respecto a la guía del flujo y a la afluencia de los álabes directores individuales como consecuencia del posicionamiento de la correspondiente serie de álabes directores por medio de una elección adecuada de la geometría y del posicionamiento del cuerpo de guía del flujo en relación con el cuerpo de base del álabe de tal manera, que sea aerodinámicamente homogéneo el perfil de entrada para la serie de álabes del rodete de la turbina, que se encuentra situada a continuación de la serie de álabes directores. De este modo, pueden reducirse, entre otras cosas, excitaciones provocadas por vibraciones en la zona del álabe del rodete. Un empleo de este tipo de piezas adosadas para la adaptación de un álabe director normalizado a diversas condiciones de aplicación puede reemplazar especialmente la producción y el mantenimiento de diversas piezas geométricamente parecidas, en concreto una pluralidad de álabes directores adaptados individualmente por completo a las condiciones de aplicación correspon-
dientes.

Por otra parte, el cuerpo de guía del flujo puede estar proyectado también en forma de un punto de rotura teórica y puede estar dimensionado de tal manera, que cuando se produzca un desgaste por rozamiento o apariciones por sobrecarga pueda contarse en primer lugar con una caída o con un deterioro del cuerpo de guía del flujo antes de que tales daños aparezcan en el cuerpo del álabe propiamente dicho. Los trabajos de mantenimiento y de reparación quedan facilitados de este modo puesto que, en caso de avería, únicamente se requiere el recambio del cuerpo de guía del flujo y no por ejemplo del álabe director completo.

Se explica con mayor detalle un ejemplo de realización de la invención por medio de un dibujo. En este muestran:

la figura 1 una sección longitudinal a través de una turbina de gas y

la figura 2 un álabe director.

En las dos figuras han sido dotadas con los mismos números de referencia las piezas, que son iguales.

La turbina de gas 1, de conformidad con la figura 1, presenta un compresor 2 para el aire comburente, una cámara de combustión 4 así como una turbina 6 para el accionamiento del compresor 2 y un generador, que no ha sido representado con mayor detalle, o una máquina herramienta. Con esta finalidad, la turbina 6 y el compresor 2 están dispuestos sobre un árbol de la turbina 8 común que se denomina rodete de la turbina, con el cual está unido también el generador o bien la máquina herramienta y que está alojada giratoriamente alrededor de su eje central 9.

El conjunto de cámaras de combustión 4 abarca una pluralidad de cámaras de combustión individuales que están dispuestas alrededor del árbol de la turbina 8, en forma de corona, cada una de las cuales está equipada con un quemador 10 respectivo para la combustión de un combustible líquido o gaseoso. Las cámaras de combustión están dotadas en este caso sobre su pared interna con elementos de escudo contra el fuego, que no han sido representados con mayor detalle.

La turbina 6 presenta una pluralidad de álabes del rodete 12 giratorios, que están unidos con el árbol de la turbina 8. Los álabes del rodete 12 están dispuestos en forma de corona sobre el árbol de la turbina 8 y forman, por consiguiente, una pluralidad de series de álabes del rodete. Por otra parte, la turbina 6 comprende una pluralidad de álabes directores 14, fijos, que están fijados igualmente en forma de corona sobre una carcasa interna 16 de la turbina 6, con formación de series de álabes directores. En este caso, los álabes del rodete 12 sirven para el accionamiento del árbol de la turbina 8 por medio de la transmisión del impulso desde el medio de trabajo M que recorre la turbina 6. Los álabes directores 14 sirven, por el contrario, para la guía del flujo del medio de trabajo M respectivamente entre dos series de álabes del rodete o dos coronas de álabes del rodete sucesivas, visto en el sentido de flujo del medio de trabajo M. En este caso, se denomina también etapa de la turbina a un par sucesivo constituido por una corona de álabes directores 14 o por una serie de álabes directores y por una corona de álabes del rodete 12 o por una serie de álabes del rodete.

Cada álabe director 14 presenta un pie del álabe 18, que se denomina también plataforma, que está dispuesto en forma de elemento de pared para la fijación del correspondiente álabe director 14 sobre la carcasa interna 16 de la turbina 6. En este caso, el pie del álabe 18 es un elemento de construcción, que está solicitado por vía térmica de una forma comparativamente pronunciada, cuyo elemento de construcción constituye el límite externo de un canal para los gases calientes para el medio de trabajo M que recorre la turbina 6. Cada álabe del rodete 12 está fijado de manera análoga sobre el árbol de la turbina 8 por medio de una plataforma 20 que se denomina también pie del álabe.

En la figura 2 se ha mostrado un álabe director 14 de la denominada primera serie de álabes directores, es decir de la serie de álabes directores que está dispuesta entre la salida de la cámara de combustión y la primera serie de álabes del rodete, visto en el sentido de flujo de los gases calientes. Tal como puede verse por esta representación, el álabe director 14 abarca una hoja de álabe 24 perfilada, que está conformada sobre el pie del álabe 18. La hoja del álabe 24 se extiende entre el pie del álabe 18, por un lado, y una placa de cobertura 26, que está conformada también sobre la hoja del álabe 24. En este caso, se han realizada en una sola pieza el pie del álabe 18, la hoja del álabe 24 y la placa de cobertura 26 y constituyen, en su conjunto, un cuerpo de construcción monolítico, concretamente un cuerpo de base 28 del álabe del álabe director 14.

El álabe director 14 está proyectado específicamente para poder llevar a cabo una adaptación individualizada en lo que se refiere a la guía del flujo y a la solicitación térmica a las condiciones de utilización que varían localmente recurriéndose, del modo que se indica más adelante, a los elementos de construcción normalizados y sin embargo de manera comparativamente sencilla, como aquellas condiciones que pueden presentarse especialmente en la primera serie de álabes directores como consecuencia del posicionamiento relativo correspondiente con respecto a la cámara de combustión tubular, situada a continuación. Con objeto de posibilitar esto, el álabe director 14 abarca, como complemento al cuerpo de base 28 del álabe un cuerpo de guía del flujo 30, adosado al anterior, que presenta una hoja deflectora anterior 32 que está conectada aguas arriba de la hoja del álabe 24 o bien del sentido de flujo del medio de trabajo M. En el lado extremo se han conformado, de manera respectiva, placas extremas 34 sobre la hoja deflectora anterior 32, a través de las cuales se inserta el cuerpo de guía del flujo 30 entre el pie del álabe 18 y la placa de cobertura 26 del cuerpo de base del álabe 28. Para el montaje definitivo de los dos componentes, que están constituidos por el cuerpo de base 28 del álabe y por el cuerpo de guía del flujo 30, el cuerpo de guía del flujo 30 está unido, por un lado, materialmente, por medio de una unión por rozamiento y/o por medio de una unión positiva, con el pie del álabe 18 y con la placa de cobertura 26 del cuerpo de base 28 del álabe, especialmente está soldado por fusión o está estañado.

La representación en trazos discontinuos en la placa de cobertura 26, en la figura 2, representa aproximadamente la configuración de los componentes, que se encuentran por debajo de la misma. Tal como puede verse por esta representación, la hoja del álabe 24 presenta un perfil ondulado que es adecuado para la guía del flujo del medio de trabajo o presenta un contorno que se refleja en el perfil 40. De manera similar, también la hoja deflectora anterior 32 del cuerpo de guía del flujo 30 tiene un contorno, que es adecuado para la guía del flujo y presenta un perfil 42. Por medio de una combinación mutua de los componentes constituidos por el cuerpo de base 28 del álabe, por un lado, y el cuerpo de guía del flujo 30, por otro lado, es posible una adaptación individualizada del álabe director 14 a las condiciones de flujo localmente diferentes o a las condiciones marco por medio de la elección adecuada del cuerpo de guía del flujo 30 correspondiente, recurriéndose a un cuerpo de base 28 del álabe que está realizado de forma ampliamente normalizada. De este modo, puede llevarse a cabo una adaptación del álabe director 14 a las condiciones localmente diferentes, en lo que se refiere al perfil del flujo o a la solicitación con los gases calientes por parte del medio de trabajo M, de forma especialmente sencilla, por medio de una elección adecuada de la geometría, del dimensionado y/o del material del cuerpo de guía del flujo 30 incluso cuando se utilice un cuerpo de base 28 del álabe normalizado.

De manera especial, la turbina de gas 1 puede presentar también una pluralidad de cámaras de combustión individuales, especialmente una pluralidad de cámaras de combustión tubulares. Con objeto de vencer de manera eficaz las faltas de homogeneidad, todavía más reforzadas, condicionadas por este motivo, en el perfil de flujo a lo largo de la periferia de la entrada de la turbina se han dotado, en un caso de este tipo, los cuerpos de guía del flujo 30 con, al menos, dos álabes directores 14, con hojas deflectoras anteriores 32 diferentes.

Claims (4)

1. Turbina de gas (1) con, al menos, dos cámaras de combustión y con una turbina, en la que se han dispuesto álabes directores (14), que están dispuestos en una corona, respectivamente con un cuerpo de base del álabe (28), abarcando cada cuerpo de base del álabe (28) un pie del álabe (18), una placa de cobertura (26) y una hoja de álabe (24) perfilada que se extiende entre medias, estando adosado sobre cada uno de los cuerpos de base del álabe (28) un cuerpo de guía del flujo (30) con una hoja deflectora anterior (32), que está conectada por delante de la hoja del álabe (24) con respecto al sentido de flujo del medio de trabajo (M) de la turbina de gas (1), caracterizada porque, al menos, dos álabes directores (14) de la corona de álabes directores presentan cuerpos de guía del flujo (30) con hojas deflectoras anteriores (32) diferentes.

2. Turbina de gas (1) según la reivindicación 1, cuyo cuerpo de guía del flujo (30) está fabricado con un material más resistente a la temperatura en comparación con el cuerpo de base del álabe (28).

3. Turbina de gas (1) según la reivindicación 1 o 2, cuyo cuerpo de guía del flujo (30) está insertado entre el pie del álabe (18) y la placa de cobertura (26) del cuerpo de base del álabe (28).

4. Turbina de gas (1) según la reivindicación 3, cuyo cuerpo de guía del flujo (30) está unido, por un lado, de forma material, por medio de una unión por rozamiento y/o por medio de unión positiva con el pie del álabe (18) y con la placa de cobertura (26) del cuerpo de base del álabe (28), especialmente está soldado por fusión o está estañado.