ES2336610T3 - Turbina de vapor. - Google Patents

Abstract

Turbina de vapor (1) con una carcasa (2, 3), con lo que un eje de turbina (5), que presenta un pistón de compensación de empuje (4), se encuentra dispuesto de manera giratoria dentro de la carcasa (2, 3) y alineado a lo largo de un eje de rotación (6), con lo que entre la carcasa (2, 3) y el eje de turbina (5) se encuentra conformado un canal de flujo (9), con lo que el eje de turbina (5) presenta en su interior un conducto de refrigeración (17) para la conducción de vapor de refrigeración en dirección al eje de rotación (6) y el conducto de refrigeración (17) se encuentra unido, por un lado, con al menos un conducto de entrada (16) para la afluencia de vapor de refrigeración desde el canal de flujo (9) hacia el conducto de refrigeración (17), con lo que el conducto de refrigeración (17) se encuentra unido, por otro lado, con al menos un conducto de salida (18) para la conducción de vapor de refrigeración hacia una superficie lateral del pistón de compensación de empuje (19), caracterizado porque un conducto de retorno (21) para el retorno de un vapor mixto, formado por el vapor de refrigeración que sale del conducto de salida (18) y una parte de un vapor vivo que fluye como vapor de fuga del pistón de compensación entre la carcasa (2, 3) y el eje de turbina (5) en la dirección del pistón de compensación de empuje (4), con lo que el conducto de retorno (21) desemboca en el canal de flujo (9).

Description

Turbina de vapor.

La presente invención hace referencia a una turbina de vapor con una carcasa, con lo que un eje de turbina, que presenta un pistón de compensación de empuje, se encuentra dispuesto de manera giratoria dentro de la carcasa y alineado a lo largo de un eje de rotación, con lo que entre la carcasa y el eje de turbina se encuentra conformado un canal de flujo, con lo que el eje de turbina presenta en su interior un conducto de refrigeración para la conducción de vapor de refrigeración en dirección al eje de rotación y el conducto de refrigeración se encuentra unido con, al menos, un conducto de entrada para la afluencia de vapor de refrigeración desde el canal de flujo hacia el conducto de refrigeración.

La utilización de vapor con presiones y temperaturas más altas ayuda a aumentar la eficiencia de una turbina. La utilización de vapor con un estado tal aumenta las exigencias a la turbina de vapor correspondiente.

Se entiende como una turbina de vapor en el sentido de la presente solicitud, cualquier turbina o turbina parcial que es atravesada por una sustancia activa en forma de vapor. Por el contrario, las turbinas de gas son atravesadas por gas y/o aire como sustancia activa que, sin embargo, está sometido a condiciones de temperatura y presión totalmente diferentes que el vapor en una turbina de vapor. Contrariamente a las turbinas de gas, en el caso de las turbinas de vapor, por ejemplo, la sustancia activa que atraviesa una turbina parcial con la mayor temperatura también presenta la mayor presión. Por lo tanto, un sistema de refrigeración abierto como en el caso de turbinas de gas, no se puede realizar sin alimentación externa.

Usualmente, una turbina de vapor comprende un rotor alojado de manera giratoria, y equipado con paletas, que se encuentra dispuesto dentro de un revestimiento de carcasa. Cuando la cámara de flujo formada por el revestimiento de carcasa es atravesada con vapor calentado y sometido a presión, el rotor es puesto en rotación mediante el vapor y a través de las paletas. Las paletas dispuestas en el rotor también son denominadas como álabes móviles. Además, en el revestimiento de carcasa generalmente se encuentran dispuestos álabes fijos estacionarios que encastran en los intersticios de los álabes móviles. Un álabe fijo generalmente es mantenido en una primera posición a lo largo de un lado interior de la carcasa de la turbina de vapor. En este caso, generalmente es parte de una corona de álabes fijos que comprende una cantidad de álabes fijos que se encuentran dispuestos a lo largo de un perímetro interior en el lado interior de la carcasa de la turbina de vapor. Cada álabe fijo señala radialmente hacia adentro con su hoja de pala. Una corona de álabes fijos en una posición a lo largo de la extensión axial también es denominada como serie de álabes fijos. Generalmente, una cantidad de series de álabe fijos se encuentran dispuestas una detrás de otra.

La refrigeración cumple un papel esencial en el aumento de la eficiencia. En el caso de los métodos de agente refrigerante conocidos hasta el momento para refrigerar una carcasa de turbina de vapor se debe distinguir entre una refrigeración activa y una refrigeración pasiva. En el caso de una refrigeración activa, la refrigeración es provocada por un medio refrigerante conducido por separado a la carcasa de turbina de vapor, es decir de manera adicional a la sustancia activa. Una refrigeración pasiva, en cambio, se realiza sólo a través de una conducción adecuada o de la utilización de una sustancia activa. Una refrigeración usual de una carcasa de turbina de vapor se limita a una refrigeración pasiva. Así es usual, por ejemplo, atravesar una carcasa interior de una turbina de vapor con vapor refrigerado, ya expandido. Sin embargo, esto presenta la desventaja de que una diferencia de temperatura debe permanecer limitada mediante la pared de la carcasa interior, ya que de lo contrario, en el caso de una diferencia de temperatura muy grande produciría una deformación térmica demasiado grande de la carcasa interior. En el caso de un flujo en la carcasa interior tiene lugar una evacuación de calor, pero la evacuación del calor se realiza relativamente alejada de la posición del suministro de calor. Hasta el momento, una evacuación de calor en cercanía directa al suministro de calor no se ha realizado en una medida suficiente. Otra refrigeración pasiva se puede lograr mediante el diseño adecuado de la expansión de la sustancia activa en un, así llamado, nivel diagonal. De esta manera, sin embargo, sólo se puede lograr un efecto de refrigeración muy limitado sobre la carcasa.

Durante el funcionamiento, los ejes de turbina de vapor alojados de manera giratoria en las turbinas de vapor son sometidos a grandes cargas térmicas. El desarrollo y la fabricación de un eje de turbina de vapor es caro y consume mucho tiempo. Los ejes de turbina de vapor son, entonces, los componentes más sometidos a esfuerzo y más caros de una turbina de vapor. Esto aumenta aún más en el caso de temperaturas de vapor altas.

Debido a las altas masas de los ejes de turbina de vapor algunas veces estos son inertes, lo cual tiene un efecto negativo en una alternación de carga térmica de un grupo termogenerador. Esto significa que la reacción de toda la turbina de vapor a una alternación de carga depende, en gran medida, de la velocidad del eje de la turbina de vapor para reaccionar a condiciones térmicas modificadas. Para el control del eje de la turbina de vapor se supervisa, de manera estándar, la temperatura, lo cual es dificultoso y costoso.

Es una propiedad de los ejes de las turbinas de vapor, que estos no disponen de un disipador térmico. Es por ello que la refrigeración de los álabes móviles dispuestos en el eje de la turbina de vapor es dificultosa.

Para mejorar la adecuación de un eje de turbina de vapor a una carga térmica es usual ahuecarlo en el área de entrada de flujo o conformarlo como eje hueco. Estos espacios huecos generalmente se encuentran cerrados y rellenos de aire.

Sin embargo, las altas tensiones que se producen durante el funcionamiento, que en gran parte se componen de tensiones tangenciales de la fuerza centrífuga, tienen un efecto desventajoso en los ejes huecos de turbinas de vapor antes mencionados. Estas tensiones son aproximadamente el doble de altas que las tensiones que aparecerían en el caso de correspondientes ejes macizos. Esto tiene una fuerte influencia en la elección del material de los ejes huecos, lo que puede provocar, que los ejes huecos no sean adecuados o no se puedan realizar para estados de vapor altos.

En la construcción de turbinas de gas es usual conformar los ejes huecos rellenos con aire como construcciones soldadas de paredes delgadas. Entre otras cosas es usual, conformar el eje de turbina de gas mediante un, así llamado, dentado Hirth con discos. Para ello, estos ejes de turbinas de gas presentan un tirador central.

Sin embargo, generalmente no es posible una transmisión directa de los principios de refrigeración en el caso de turbinas de gas a la construcción de turbinas de vapor, ya que, contrariamente a la turbina de gas, una turbina de vapor es accionada como sistema cerrado. Esto significa que la sustancia activa se encuentra en un circuito y que no es evacuada al entorno. La sustancia activa utilizada en el caso de una turbina de gas, que básicamente se compone de aire y gas de escape, es evacuada al entorno después de atravesar la unidad de turbina de la turbina de gas.

Además, contrariamente a las turbinas de gas, las turbinas de vapor no presentan una unidad de compresión y, además, sólo se puede acceder radialmente a los ejes de la turbina de vapor en general.

La turbinas de vapor con una temperatura de entrada del vapor de aproximadamente 600ºC se desarrollaron y construyeron en los años 50. Estas turbinas de vapor presentaban un sistema radial de álabes. El estado actual del arte en la construcción de turbinas de vapor comprende refrigeraciones de ejes con disposición radial de la primera serie de álabes fijos, en forma de niveles diagonales o de regulación. En el caso de esta forma de ejecución, sin embargo, es desventajoso el reducido efecto de refrigeración de estos niveles diagonales o de regulación.

En el caso de los ejes de turbinas de vapor, las áreas de pistón y de entrada son especialmente sometidas a cargas térmicas. Como área de pistón se debe entender el área de un pistón de compensación de empuje. En una turbina de vapor el pistón de compensación de empuje actúa de manera tal, que contra una fuerza provocada por la sustancia activa sobre el eje en una dirección es conformada una contra-fuerza en dirección contraria.

Una refrigeración de un eje de turbina de vapor se describe, entre otros, en la EP 0 991 850 B1. En la misma se realiza una turbina parcial compacta o de alta presión y media presión a través de una unión en el eje por la que puede fluir un medio de refrigeración. En este caso se considera desventajoso, que entre dos secciones de expansión diferentes no se puede conformar una derivación regulable. Además pueden aparecer problemas en el caso de un funcionamiento no estacionario.

En la US 2005/0118025 A1 se revela un rotor para una turbina de vapor, con lo que el rotor presenta un canal de refrigeración.

La US 6,082,962 revela una turbina de vapor con las características del concepto genérico de la reivindicación 1.

En la US 6,048,165 se revela una refrigeración de rotor de turbina, con lo que la refrigeración se realiza a través de un vapor de refrigeración que es conducido en el interior del rotor.

Sería deseable desarrollar una turbina de vapor que sea adecuada para altas temperaturas.

Es por ello objeto de la presente invención, indicar una turbina de vapor que pueda ser accionada en el caso de altas temperaturas de vapor.

Este objetivo es resuelto por una turbina de vapor con una carcasa, con lo que un eje de turbina que presenta un pistón de compensación de empuje se encuentra dispuesto de manera giratoria dentro de la carcasa y alineado a lo largo de un eje de rotación, con lo que entre la carcasa y el eje de turbina se encuentra conformado un canal de flujo, con lo que el eje de turbina presenta en su interior un conducto de refrigeración para la conducción de vapor de refrigeración en dirección al eje de rotación y el conducto de refrigeración se encuentra unido, por un lado, con al menos un conducto de entrada para la afluencia de vapor de refrigeración desde el canal de flujo hacia el conducto de refrigeración, con lo que el conducto de refrigeración se encuentra unido, por otro lado, con al menos un conducto de salida para la conducción de vapor de refrigeración hacia una superficie lateral del pistón de compensación de empuje, con lo que la turbina de vapor se encuentra se encuentra conformada con un conducto de retorno para el retorno de un vapor mixto, formado por el vapor de refrigeración y un vapor de fuga del pistón de compensación, con lo que el conducto de retorno desemboca en el canal de flujo.

De esta manera se propone una turbina de vapor con un eje de turbina de vapor, que en las áreas calientes durante el funcionamiento es, en cada caso, hueca y se encuentra provista de una refrigeración interna. La presente invención se basa en que, durante el funcionamiento, es conducido vapor expandido a través del interior del eje hacia el pistón de compensación y este refrigera allí el pistón de compensación que se encuentra sometido a una gran carga térmica. Con la posibilidad de refrigeración propuesta se pueden refrigerar especialmente aquellos ejes de turbinas de vapor que presentan un pistón de compensación. Estos serían, por ejemplo, turbinas parciales de alta presión, media presión así como una turbina K (turbina compacta). Como turbina parcial K se debe entender una turbina parcial compacta que presenta un área de alta presión y un área de media presión que se encuentra en un eje de turbina de vapor. La ventaja de la presente invención es especialmente, que el eje de turbina de vapor, por un lado, puede ser diseñado de manera estable contra la fluencia y, por el otro, reacciona de manera flexible a las cargas térmicas. En el caso de una alternación de carga, por ejemplo, en la que puede presentarse una carga térmica más alta, la refrigeración provoca que la carga térmica del eje finalmente disminuya. Esto es válido especialmente para las áreas que están muy sometidas a cargas térmicas, como por ejemplo el área de entrada o el pistón de compensación.

En este caso la presente invención se basa en que el vapor de refrigeración es mezclado con un vapor de fuga del pistón de compensación y este vapor mixto formado es conducido nuevamente al canal de flujo para seguir trabajando allí. De esta manera aumenta la eficiencia de la turbina de vapor.

Así es posible un arranque rápido de la turbina de vapor, lo que resulta un aspecto importante hoy en día, ya que se trata de poner a disposición energía de forma rápida. Además, la turbina de vapor conforme a la invención presenta la ventaja, de que los costos para un control del eje pueden reducirse. Un eje de turbina de vapor hueco presenta una masa menor que un eje macizo, y por ello también una menor capacidad térmica frente a un eje macizo, así como una mayor superficie atravesada. Por ello es posible un calentamiento rápido del eje de turbina de vapor.

Otro aspecto de la presente invención es que la resistencia a elevadas temperaturas en función del tiempo del material utilizado para el eje de la turbina de vapor aumenta debido a la mejor refrigeración. La resistencia a elevadas temperaturas en función del tiempo puede ser aumentado en un factor mayor a 2 frente a un eje macizo, de manera que el aumento de la tensión arriba descrito es sobrecompensado. Esto conduce a una ampliación del área de aplicación del eje de turbina de vapor.

Otro aspecto de la presente invención es que se pueden reducir los juegos radiales si se aumenta el diámetro del eje hueco mediante fuerzas centrífugas radiales. La fuerza centrífuga radial es proporcional al cuadrado del número de revoluciones. Un aumento del número de revoluciones provoca, por consiguiente, una disminución de los juegos radiales, lo que conduce a un aumento de la eficiencia total de la turbina de vapor.

Otro aspecto de la presente invención es que los ejes huecos pueden ser fabricados de manera económica.

En un perfeccionamiento ventajoso la carcasa comprende una carcasa interior y una carcasa exterior. Las turbinas parciales de alta presión, como también las turbinas parciales de media presión y compactas pertenecen a las turbinas de vapor más cargadas térmicamente. Por lo general, las turbinas parciales de alta presión, media presión, así como las turbinas parciales compactas se encuentran conformadas con una carcasa interior en la que se encuentran dispuestos álabes fijos y una carcasa exterior dispuesta alrededor de la carcasa interior.

En un perfeccionamiento ventajoso, el eje de la turbina presenta en dirección axial al menos dos áreas de diferentes materiales.

De esta manera se pueden ahorrar costes. En las áreas sometidas a cargas térmicas generalmente se utiliza material de alta calidad. En las áreas sometidas a cargas térmicas se puede utilizar, por ejemplo, acero con un 10% de contenido de cromo. Mientras que en las áreas con menor carga térmica se puede utilizar acero con un 1% de contenido de cromo.

A tal efecto, el eje de la turbina presenta en dirección axial tres áreas de diferentes materiales. Ambas áreas exteriores se componen especialmente del mismo material. De esta manera se puede seleccionar específicamente un material adecuado para el área respectiva del eje de la turbina de vapor sometida a diferentes cargas térmicas.

De manera ventajosa las áreas que comprenden diferentes materiales son soldadas entre sí. A través de la soldadura se conforma un eje de turbina estable.

En otra forma de ejecución alternativa ventajosa, las áreas compuestas de diferentes materiales se encuentran unidas entre sí a través de un dentado Hirth. La ventaja principal del dentado Hirth es la flexibilidad térmica, especialmente alta, del eje de turbina. Otra ventaja es que esta flexibilidad generalmente conduce a que el eje de turbina pueda ser fabricado de manera rápida. Además, el eje de turbina puede ser desarrollado de manera económica.

En otro perfeccionamiento ventajoso ambas áreas exteriores se encuentran conformadas como eje macizo, y el área central que se encuentra entre ellas se encuentra conformada como eje hueco. También es ventajoso, si las áreas compuestas de diferentes materiales se encuentran unidas entre sí mediante una conexión de brida. Esto puede ser de ayuda en el caso de trabajos de revisión, ya que las diferentes áreas se pueden separar fácilmente.

También es ventajoso, si el conducto de entrada y el conducto de salida se encuentran integrados en la conexión de brida.

De manera ventajosa, las áreas compuestas por diferentes materiales son soldadas unas con otras mediante, al menos, una costura de soldadura.

Es muy ventajoso, si el conducto de entrada y el conducto de salida se encuentran integrados en el dentado Hirth. En este caso el dentado Hirth puede presentar un dentado trapezoidal, rectangular o triangular con una entalladura conformada como conducto de entrada y/o conducto de salida. De esta manera existe una posibilidad muy sencilla de conformar un conducto de entrada y/o salida. La entalladura en el dentado trapezoidal, rectangular o triangular puede estar conformada de manera adecuada al volumen de flujo calculado, por ejemplo. La elaboración de tales entalladuras en un dentado Hirth es fácil en comparación y además puede ser realizada rápidamente. De esta manera se generan ventajas económicas.

De manera ventajosa, el conducto de retorno se dispone dentro de la carcasa exterior. El conducto de retorno también puede estar conformado como perforación en la carcasa interior.

Formas de ejecución de la invención se explican más detalladamente con ayuda de los dibujos siguientes. Para ello, los componentes con la misma referencia poseen la misma función.

Estos muestran

Figura 1 una vista de la sección transversal de una turbina parcial de alta presión conforma al estado actual del arte,

Figura 2 un corte a través de una sección de una turbina parcial,

Figura 3 un corte a través de un eje de turbina,

Figura 4 un corte a través de un eje de turbina en una forma de ejecución alternativa,

Figura 5 un corte a través de un eje de turbina en una forma de ejecución alternativa,

Figura 6 un corte a través de un eje de turbina en una forma de ejecución alternativa,

Figura 7 un corte a través de un eje de turbina en una forma de ejecución alternativa,

Figura 8 una representación ampliada de una conexión de brida,

Figura 9 una representación en perspectiva de una sección de la conexión de brida,

Figura 10 una representación en perspectiva del principio de un dentado Hirth,

Figura 11 una representación en corte de un dentado Hirth con canales de admisión en forma de triángulo,

Figura 12 un corte a través de un dentado Hirth en forma trapezoidal con perforaciones pasantes,

Figura 13 curva con representación relativa de la resistencia a elevadas temperaturas en función del tiempo.

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En la figura 1 se encuentra representado un corte a lo largo de una turbina parcial de alta presión 1 conforme al estado actual del arte. La turbina parcial de alta presión 1, como forma de ejecución de una turbina de vapor, comprende una carcasa exterior 2 y una carcasa interior 3 dispuesta dentro de la misma. Dentro de la carcasa interior 3, y alojado de manera giratoria alrededor de un eje de rotación 6, se encuentra un eje de turbina 5. El eje de turbina 5 comprende álabes móviles 7 dispuestos en ranuras sobre una superficie del eje de turbina 5. La carcasa interior 3 presenta álabes fijos 8 dispuestos en ranuras en su superficie interior. Los álabes fijos 8 y móviles 7 se encuentran dispuestos de manera tal, que en una dirección de flujo 13 se encuentra conformado un canal de flujo 9. La turbina parcial de alta presión 1 presenta un área de entrada 10 a través de la cual, durante el funcionamiento, ingresa vapor vivo en la turbina parcial de alta presión 1. El vapor vivo puede presentar parámetros de vapor superiores a 300 bar y superiores a 620ºC. El vapor vivo cuya presión de reduce en la dirección de flujo 13 atraviesa alternativamente los álabes fijos 8 y móviles, se descarga y refrigera. En este caso, el vapor pierde energía interna que es transformada en la energía de rotación del eje de turbina 5. Finalmente, la rotación del eje de turbina 5 acciona un generador, no representado, para el suministro de energía. Naturalmente, la turbina parcial de alta presión 1 puede accionar otros componentes de instalaciones además de un generador, por ejemplo un compresor, una hélice de barco o similar. El vapor atraviesa el canal de flujo 9 y sale de la turbina parcial de alta presión 1 a través de la salida 33. En este caso, el vapor ejerce una fuerza de acción 11 en la dirección de flujo 13. La consecuencia de esto es que el eje de turbina 4 realizaría un movimiento en la dirección de flujo 13. Un movimiento real del eje de turbina 5 es impedido mediante la conformación de un pistón de compensación 4. Esto sucede de la siguiente forma: en una antecámara del pistón de compensación 12 ingresa vapor con una presión correspondiente que conduce a que, debido a la presión que se establece en la antecámara del pistón de compensación 12, se genere una fuerza contra la dirección de flujo 13, que de forma ideal es de igual magnitud que la fuerza de acción 11. El vapor que ingresó en la antecámara del pistón de compensación 12 generalmente es vapor vivo desviado que presenta parámetros de temperatura muy elevados. Por lo tanto el área de entrada 10 y el pistón de compensación 4 del eje de turbina son sometidas a una gran carga térmica.

En la figura 2 se encuentra representado un detalle de una turbina de vapor 1. La turbina de vapor presenta una carcasa exterior 2, una carcasa interior 3 y un eje de turbina 5. La turbina de vapor 1 presenta álabes móviles 7 y álabes fijos 8. A través del área de entrada 10 y de un nivel diagonal 15 llega vapor vivo al canal de flujo 9. En este caso el vapor se descarga y se refrigera. La energía interior del vapor es transformada en energía de rotación del eje de
turbina 5.

Después de una cantidad determinada de niveles de turbina, formados por álabes fijos 8 y móviles 7, el vapor es unido mediante técnica de flujo y a través de un conducto de entrada 16 con un conducto de refrigeración 17. En este caso, el conducto de refrigeración 17 se encuentra conformado como cámara hueca dentro del eje de turbina 5. Se puede pensar en otras formas de ejecución. De esta manera es posible, por ejemplo, conformar un conducto no representado dentro del eje de turbina 5 en lugar de una cámara hueca 17.

El eje de turbina 5 se encuentra dispuesto de manera giratoria dentro de la carcasa 2, 3 y alineado a lo largo de un eje de rotación 6. Entre la carcasa 2, 3 y el eje de turbina 5 se encuentra conformado un canal de flujo 9. En este caso, el conducto de refrigeración 17 se encuentra conformado para la conducción de vapor de refrigeración en dirección al eje de rotación 6. El conducto de refrigeración 17 se encuentra unido mediante técnica de flujo, por un lado, con al menos un conducto de entrada 16. El conducto de entrada 16 se encuentra conformado para la afluencia de vapor de refrigeración desde el canal de flujo 9 hacia el conducto de refrigeración 17.

Para ello, el conducto de entrada 16 puede estar alineado radialmente en relación al eje de rotación 6. Se puede pensar en otras formas de ejecución del conducto de entrada 16. De esta manera, por ejemplo, el conducto de entrada 16 puede estar conformado de forma perpendicular al eje de rotación 6. El conducto de refrigeración 16 podría transcurrir en forma de espiral desde el canal de flujo 9 hacia el conducto de refrigeración 17. La sección transversal del conducto de refrigeración 16 puede variar del canal de flujo 9 hacia el conducto de refrigeración 17.

Por otro lado, el conducto de refrigeración 17 se encuentra unido con al menos un conducto de salida 18 para la conducción de vapor de refrigeración hacia una superficie lateral del pistón de compensación de empuje 19.

El vapor de refrigeración que sale del conducto de salida 18 se distribuye sobre la superficie lateral del pistón de compensación de empuje 19 y la refrigera.

La carcasa 2, 3 comprende una carcasa interior 3 y una carcasa exterior 2. El vapor de refrigeración que sale del conducto de salida 18 fluye en dos direcciones. Por un lado, en dirección a la dirección principal de flujo 13 y, por el otro, en una dirección contraria a la dirección principal de flujo 13. A través del área de entrada 10, una parte del vapor vivo fluye entre la carcasa interior 3 y el eje de turbina 5 en dirección al pistón de compensación de empuje 4. Este, así llamado, vapor de escape de pistón 20 se mezcla con el vapor de refrigeración que sale del conducto de salida, y a través de un conducto de retorno 21 es conducido nuevamente al canal de flujo 9. Es adecuado que este conducto de retorno 21 comience entre la entrada 10 y la salida del conducto de salida 18. De esta manera se puede conducir un flujo parcial del vapor de refrigeración en dirección al flujo principal 13 y bloquear el vapor de escape del pistón 20. Así se garantiza la refrigeración antes descrita de la superficie del pistón 18. Este vapor mixto formado por vapor de refrigeración y un vapor de escape del pistón de compensación es introducido en una posición adecuada en el canal de flujo 9 para que trabaje allí.

El conducto de retorno 21 puede estar conformado como conducto externo dentro de la carcasa exterior 2. El conducto de retorno 21 también puede estar conformado como perforación en la carcasa interior 3.

En la figura 3 se representa un eje de turbina 5. El eje de turbina 5 se encuentra fabricado de un material que toma en consideración las cargas térmicas. Sin embargo, en este caso es desventajoso que la carga térmica no se encuentre distribuida de manera uniforme sobre el eje de turbina 5, sino que, como se representa más adelante, es especialmente fuerte en el área de la entrada 10 y del pistón de compensación 4. Para una mayor claridad, los álabes móviles 7 no se encuentran representados.

Mediante el trazado en líneas en la figura 3 se demuestra que el eje de turbina 5 se encuentra conformado de un material.

En la figura 4 se representa otro eje de turbina 5, con lo que en la dirección de flujo 13 este eje de turbina 5 presenta, al menos, dos áreas de diferentes materiales. En formas de ejecución alternativas el eje de turbina 5 puede presentar en dirección de flujo axial 13 tres áreas 24, 23, 22 de diferentes materiales. El área central 22 puede ser, por ejemplo, de un acero con un contenido de 10% de cromo, resistente a la temperatura, y las dos áreas exteriores 23 y 24 del mismo material, como por ejemplo acero con un contenido de 1% de cromo. En la forma de ejecución representada en la figura 4, el eje de turbina 5 es unido entre sí a través de uniones por soldadura 25 y 26.

En su área central 22 el eje de turbina 5 puede ser conformado como eje hueco, y en sus áreas exteriores 23, 24 como eje macizo.

Si las áreas 22, 23, 24 son soldadas entre sí se utiliza al menos una costura de soldadura.

Las áreas compuestas de diferentes materiales 22, 23, 24 del eje de turbina 5 pueden ser unidas entre sí mediante una conexión de brida 40, con lo que el conducto de entrada 16 y el conducto de salida 18 se encuentran integrados en la conexión de brida.

En la figura 5 se representa una forma de ejecución alternativa del eje de turbina 5. La diferencia con el eje de turbina representado en la figura 4 es que el eje de turbina 5 representado en la figura 5 se encuentra unido mediante un dentado Hirth 27, 28. Para ello se debe conformar un tirador 29 que se encuentra dispuesto de manera tal, que ambas áreas exteriores 23 y 24 sean presionadas contra el área central 22. El área central 22 puede comprender una o múltiples secciones que se encuentren conformadas en forma de tubo o disco y que, en cada caso, pueden contener uno o múltiples niveles de álabe móvil.

En otra forma de ejecución alternativa, como se representa en la figura 6, el eje de turbina 5 es unido mediante un dentado Hirth 30, 31, con lo que el conducto de entrada 16 y el conducto de salida 18 se encuentran integrados en el dentado Hirth 30, 31.

En la figura 7 se representa otra forma de ejecución alternativa del eje de turbina 5. El eje de turbina 5 comprende, al menos, dos áreas 22' y 23' compuestas de diferentes materiales. El área 23' es abridada al área 22'. La unión atornillada se realiza mediante adecuados tornillos de dilatación 39. La conexión de brida 40 se encuentra centrada conforme al estado actual del arte. De manera ventajosa, en el área 22' se encuentra conformada una rosca 41 para acoger el tornillo 39. Por lo demás, el atornillamiento del área 23' con el área 22' se realiza preferentemente del lado más refrigerado.

En la figura 8 se puede observar una representación en corte de la unión atornillada de la figura 7. En esta representación también se puede observar que el conducto de salida 18 se integra en la unión a través de entalladuras. Esto se encuentra ilustrado en una representación en perspectiva de una sección del eje de turbina 5, en la figura 5. Por medio de una unión del conducto de salida 18 con la perforación para tornillos 43, a través de un espacio anular 42, se puede realizar la refrigeración de los tornillos, así como una adecuación de la temperatura de la brida (pistón de compensación) y de los tornillos.

En la figura 10 se puede observar una representación en perspectiva de un dentado Hirth 30, 31. En este caso, el área central 2 presenta un dentado Hirth 30, 31 conforme a lo representado en la figura 10. De igual manera, las dos áreas exteriores compuestas por materiales diferentes 24 y 23 también presentan un dentado Hirth 30, 31.

En la figura 11 se puede observar una vista de sección transversal del dentado Hirth 30, 31. La sección izquierda es, por ejemplo, el área izquierda 24 y la sección derecha, el área central 22, que se encuentran unidas entre sí a través de un dentado Hirth 30. El conducto de entrada 16 se encuentra integrado al dentado Hirth. La representación de sección transversal representada en la figura 11 también puede representar el conducto de salida 18. En este caso, el área izquierda sería el área central 22 y la derecha, el área 23 unida a través del dentado Hirth 31. El conducto de salida 18 se encuentra integrado al dentado Hirth 30, 31. La forma de ejecución representada en la figura 11 presenta un dentado triangular.

El conducto de entrada 16 o el conducto de salida 18 se encuentra conformado a través de entalladuras 32 del dentado Hirth 30, 31.

En la forma de ejecución representada en la figura 12 del dentado Hirth 30, 31 este presenta un dentado trapezoidal. Las posibles formas de ejecución del dentado Hirth son un dentado trapezoidal, rectangular o triangular. Son posibles otras formas de ejecución.

En la figura 13 se muestran los valores de resistencia para aceros con un contenido de cromo de un 1% y de un 10% para turbinas de vapor.

En el eje x 35 se encuentra registrada la temperatura en una escala lineal de 400 a 600ºC. En el eje y 36 se encuentra registrada la resistencia a elevadas temperaturas en función del tiempo R_{m,200000h} en una escala lineal de 30 a 530 \frac{N}{mm^{2}}. La curva superior 37 muestra el comportamiento de la temperatura para el material 30 CrMoNiV5-11 y la curva inferior 38 muestra el comportamiento de la temperatura para el material X12CrMoWVNbN10-1-1.

Se ha demostrado, que de manera adicional a la conducción conforme a la invención del vapor de refrigeración, una aplicación de una capa termoaislante sobre las superficies de los componentes sometidos a cargas aumenta el efecto de la refrigeración efectiva.

Mediante la implementación del tirador 29 se asume una parte de las fuerzas axiales. De esta manera, el eje de turbina 5 se puede conformar con paredes más delgadas, lo que tiene un efecto positivo en la flexibilidad térmica y en la conformación de los juegos radiales.

La presente invención no se debe limitar a la conformación de una turbina parcial de alta presión como forma de ejecución de una turbina de vapor 1, el eje de turbina conforme a la invención 5 también puede ser implementado en una turbina parcial de media presión o compacta (alta presión y media presión dentro de una carcasa). El eje de turbina 5 también puede ser utilizado en otros tipos de turbinas de vapor.

Claims (14)

1. Turbina de vapor (1) con una carcasa (2, 3), con lo que un eje de turbina (5), que presenta un pistón de compensación de empuje (4), se encuentra dispuesto de manera giratoria dentro de la carcasa (2, 3) y alineado a lo largo de un eje de rotación (6),

con lo que entre la carcasa (2, 3) y el eje de turbina (5) se encuentra conformado un canal de flujo (9), con lo que el eje de turbina (5) presenta en su interior un conducto de refrigeración (17) para la conducción de vapor de refrigeración en dirección al eje de rotación (6) y el conducto de refrigeración (17) se encuentra unido, por un lado, con al menos un conducto de entrada (16) para la afluencia de vapor de refrigeración desde el canal de flujo (9) hacia el conducto de refrigeración (17), con lo que

el conducto de refrigeración (17) se encuentra unido, por otro lado, con al menos un conducto de salida (18) para la conducción de vapor de refrigeración hacia una superficie lateral del pistón de compensación de empuje (19), caracterizado porque un conducto de retorno (21) para el retorno de un vapor mixto, formado por el vapor de refrigeración que sale del conducto de salida (18) y una parte de un vapor vivo que fluye como vapor de fuga del pistón de compensación entre la carcasa (2, 3) y el eje de turbina (5) en la dirección del pistón de compensación de empuje (4), con lo que el conducto de retorno (21) desemboca en el canal de flujo (9).

2. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 1, con lo que la carcasa (2, 3) comprende una carcasa interior (3) y una carcasa exterior (2).

3. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 1 o 2, con lo que en dirección axial (34) el eje de turbina (5) presenta, al menos, dos áreas de diferentes materiales.

4. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 1, 2 o 3, con lo que en dirección axial (34) el eje de turbina (5) presenta, al menos, tres áreas (22, 23, 24) de diferentes materiales.

5. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 4, con lo que ambas áreas exteriores (23, 24) se componen del mismo material.

6. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 3, 4 o 5, con lo que las áreas compuestas de diferentes materiales (22, 23, 24) se encuentran soldadas entre sí.

7. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 3, 4, 5 o 6, con lo que las áreas (23, 24) se encuentran conformadas como eje macizo y el área (22) se encuentra conformada como eje hueco.

8. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 3, 4, 5 o 7, con lo que las áreas compuestas de diferentes materiales (22, 23, 24) se encuentran unidas entre sí mediante un dentado Hirth (30, 31).

9. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 3, 4, 5 o 7, con lo que las áreas compuestas de diferentes materiales (22, 23, 24) se encuentran unidas entre sí mediante una conexión de brida (40).

10. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 8, con lo que el conducto de entrada (16) y el conducto de salida (18) se encuentran integrados en el dentado Hirth (30, 31).

11. Turbina de vapor conforme a la reivindicación 9, con lo que el conducto de entrada (16) y el conducto de salida (18) se encuentran integrados en la conexión de brida (40).

12. Turbina de vapor (1) conforme a la reivindicación 8, con lo que el dentado Hirth (30, 31) presenta un dentado trapezoidal, rectangular o triangular con una entalladura (32) conformada como conducto de entrada (16) y/o conducto de salida (18).

13. Turbina de vapor (1) conforme a una de las reivindicaciones anteriores, con lo que el conducto de retorno (21) se encuentra dispuesto dentro de la carcasa exterior (2).

14. Turbina de vapor (1) conforme a una de las reivindicaciones anteriores, con lo que el conducto de retorno (21) se encuentra conformado como perforación en la carcasa interior (2).