ES2773743T3

ES2773743T3 - Paleta que tiene un conjunto de nervaduras con un recubrimiento abrasivo

Info

Publication number: ES2773743T3
Application number: ES11193177T
Authority: ES
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: EP2604797A1; EP2604797B1; US9797264B2; US20130149165A1

Abstract

Paleta (5) para una etapa de compresion o etapa de turbina de una turbina de gas, que tiene un conjunto de nervaduras radiales exteriores dispuestas sobre un anillo de refuerzo (1) de la paleta (5) con al menos dos nervaduras dirigidas radialmente hacia afuera (2), en donde las nervaduras (2) se disponen una detras de otra en direccion axial y en direccion circunferencial (U) en un angulo (α) desigual a 0°, que es menor que 10°, en donde las nervaduras (2) tienen un revestimiento (3) en las dos superficies laterales correspondientes axialmente opuestas, asi como en el lado frontal radialmente exterior de las nervaduras (2), a traves del cual se unen las superficies laterales, en donde el grosor del revestimiento (3) en una seccion transversal a la nervadura (2) en las dos superficies laterales radiales de la nervadura (2) aumenta a medida que aumenta la distancia radial con respecto al eje de rotacion de la turbina de gas.

Description

DESCRIPCIÓN

Paleta que tiene un conjunto de nervaduras con un recubrimiento abrasivo

La presente invención se refiere a una paleta para una etapa de compresión o una etapa de turbina de una turbina de gas, que tiene un conjunto de nervaduras exterior dispuesto sobre un anillo de refuerzo de la paleta y que tiene al menos dos nervaduras dirigidas radialmente hacia afuera. La presente invención se refiere además a una turbina, en particular una turbina de gas, que tiene al menos una paleta de ese tipo.

La patente europea núm. EP 1550 741 A1 da a conocer la colocación de nervaduras radiales exteriores sobre el anillo de refuerzo de las paletas para reducir un espacio de fuga de una superficie de sellado circundante, en particular en forma de panal, y así aumentar la eficiencia de una turbina de gas. La publicación propone proveer a las nervaduras con un recubrimiento abrasivo en la parte delantera, que se esmerila en un material huérfano de la superficie de sellado.

De la patente de los Estados Unidos núm. US 5,794,338 A se conoce un proceso de reparación de los recubrimientos dañados en los extremos de las paletas de las turbinas en las turbinas utilizadas a altas temperaturas. La patente japonesa núm. JP 2005127276 da a conocer paletas con nervaduras separadas axialmente sobre el anillo de refuerzo, en donde las nervaduras se disponen en un ángulo en la dirección circunferencial. La patente europea núm. EP 2 372 093 da a conocer una paleta con una estructura de corte nervada orientada circunferencialmente con bordes cortantes recubiertos.

El objetivo de la presente invención es proporcionar una turbina mejorada.

Para lograr este objetivo, se propone una paleta con las características de la reivindicación 1 que puede utilizarse en una etapa de compresión y/o una etapa de turbina de una turbina de gas. La reivindicación 6 protege una turbina, en particular una turbina de gas, con un conjunto de paletas que tiene este tipo de paletas. Las mejoras preferidas son el objeto de las reivindicaciones dependientes.

Un aspecto de la presente invención se basa en la idea de que un recubrimiento nervado proporciona no solo una superficie más dura, sino también una superficie más grande.

Para ello, una paleta comprende un conjunto de nervaduras radiales exteriores dispuestas sobre un anillo de refuerzo de la paleta. El conjunto de nervaduras tiene al menos dos nervaduras dirigidas radialmente hacia afuera. Las nervaduras tienen un recubrimiento al menos en las dos superficies laterales correspondientes. Estos recubrimientos están unidos entre sí por sus superficies frontales radiales exteriores de las respectivas nervaduras. El grosor del recubrimiento aumenta radialmente hacia afuera en las dos superficies laterales radiales de la nervadura con respecto a un corte transversal a la nervadura.

La paleta tiene un conjunto de nervaduras con varias nervaduras dispuestas una detrás de la otra en dirección axial. En esta descripción, la dirección axial se refiere en particular a una dirección de coordenadas que está alineada con un eje de rotación de la paleta o de la turbina, en particular de una turbina de gas, la dirección radial corresponde a una dirección que se extiende perpendicularmente al eje de rotación, y la dirección circunferencial corresponde a una dirección que se extiende perpendicularmente al eje de rotación y perpendicularmente a la dirección radial, en particular en el sentido de rotación de la paleta o de la turbina, en particular de una turbina de gas.

Sobre al menos dos o más nervaduras, en particular adyacentes, y preferentemente en todas las nervaduras del conjunto de nervaduras se coloca un recubrimiento. Este recubrimiento se fabrica preferentemente de metal, plástico y/o cerámica. En una modalidad preferida, el recubrimiento tiene una mayor dureza que la propia nervadura. En esta descripción, la dureza se determina esencialmente según Vickers, Rockwell, Brinell o un protocolo de prueba similar.

Con el fin de proporcionar una mayor superficie por medio de este(os) recubrimiento(s) y, de esa forma, aumentar el efecto de sellado y, por tanto, la eficiencia, algunos, preferentemente todos los recubrimientos del conjunto de nervaduras tienen cada uno, en una sección meridiana, un contorno exterior que se ensancha hacia fuera en la dirección radial, es decir, a medida que aumenta la distancia radial con respecto al eje de rotación, axialmente o en la dirección axial.

En esta descripción, una sección meridiana significa en particular una sección transversal que contiene la dirección axial y la dirección radial. En una modalidad preferida, un contorno exterior puede expandirse monótonamente, especialmente de forma estrictamente monótona, en la dirección radial hacia el exterior. En esta descripción, se entiende en particular que una distancia en la dirección axial entre los dos flancos exteriores del contorno exterior se mantiene siempre igual (monótona) o incluso aumenta siempre (estrictamente monótona), al menos sustancialmente, a medida que aumenta la distancia radial con respecto al eje de rotación. Sin embargo, también se incluyen los contornos exteriores cuyos flancos exteriores se acercan entre sí en áreas radiales limitadas. Por lo tanto, en general, se entiende que un contorno exterior que se ensancha hacia afuera en dirección radial es, en particular, un contorno exterior con dos flancos exteriores opuestos cuya distancia en dirección axial es menor en una primera distancia menor con respecto al eje de rotación, que en una segunda distancia mayor con respecto al eje de rotación.

Como resultado del aumento radial hacia afuera de ese contorno exterior, el flanco exterior del recubrimiento se acerca a una nervadura o recubrimiento adyacente, visto en dirección axial, de modo que se reduce el espacio axial entre el recubrimiento y la nervadura o el recubrimiento adyacente. Esto proporciona una mayor área de superficie radial exterior y de esa forma reduce las fugas en los espacios entre nervaduras adyacentes.

En una modalidad preferida, un espacio entre los flancos de los recubrimientos adyacentes de las nervaduras adyacentes del conjunto de nervaduras se corresponde como máximo con un ancho axial de un lado frontal radial exterior de una de las dos nervaduras adyacentes. En esta descripción, ancho axial significa, en particular, la distancia entre un borde anterior y posterior en la dirección axial de un lado frontal radial exterior de una nervadura. La limitación preferida del espacio al ancho axial del lado frontal de una nervadura puede reducir la fuga hacia el espacio entre las nervaduras adyacentes a un nivel que no afecta la eficiencia.

En una mejora preferida, un espacio entre los flancos de los recubrimientos adyacentes de las nervaduras adyacentes del conjunto de nervaduras se corresponde como máximo al 75 % y preferentemente como máximo al 50 % de dicho ancho axial. En general, se prefieren espacios más pequeños entre los recubrimientos, en donde un espacio tiene ventajosamente cierto tamaño mínimo, que en particular puede ser al menos 20 % de un ancho axial de un lado frontal radial exterior de una de las dos nervaduras adyacentes, a fin de evitar el desprendimiento del recubrimiento.

Las nervaduras del conjunto de nervaduras están inclinadas en la dirección circunferencial en un ángulo desigual a 0° y menor que 10°, en particular menor que 5° y preferentemente menor que 3°.

En una modalidad preferida, dos o más, en particular todas, las nervaduras del conjunto de nervaduras tienen lados frontales radiales exteriores que, al menos sustancialmente, están a la misma altura radial. Partiendo de estos lados frontales, las nervaduras se extienden hacia adentro a diferentes profundidades en dirección radial, es decir, tienen diferentes alturas en la dirección radial. Esto permite, por un lado, la formación de espacios más pequeños entre las nervaduras y, por otro lado, la adaptación a paletas con alturas radiales variables.

De igual modo, los lados frontales exteriores en dirección radial de dos o más nervaduras, en particular de todas las nervaduras, del conjunto de nervaduras pueden tener diferentes alturas radiales, en particular - al menos sustancialmente - se encuentran sobre una superficie cónica virtual. Además o alternativamente, dos o más, en particular todas las nervaduras del conjunto de nervaduras pueden tener diferentes alturas radiales.

El conjunto de nervaduras se dispone en un anillo de refuerzo de la paleta. En esta descripción, se entiende por anillo de refuerzo, en particular, una brida que se extiende en dirección axial y circunferencial y que, en la mejora preferida, descansa en unión continua contra los anillos de refuerzo en la dirección circunferencial de las paletas adyacentes. En una mejora preferida, el anillo de refuerzo puede inclinarse en dirección axial para soportar las nervaduras de diferentes alturas explicadas anteriormente.

El recubrimiento puede llevarse a cabo mediante un proceso de recubrimiento de una o, preferentemente, varias nervaduras en paralelo o sucesivamente, de un conjunto de nervaduras radiales exteriores de una paleta, lo que es particularmente adecuado para el recubrimiento de una paleta según el aspecto explicado anteriormente.

Se puede atomizar un material de recubrimiento sobre el conjunto de nervaduras desde al menos dos direcciones de atomización opuestas, en particular mediante atomización por plasma, atomización por llama, en particular atomización por llama de alta velocidad, atomización por detonación, atomización por gas frío, atomización por arco y/o atomización por láser. En esta descripción se entiende por atomización por plasma en particular que, por ejemplo en una antorcha de plasma, se genera un arco entre el ánodo o ánodos y el cátodo o cátodos mediante una tensión y se pasa gas o una mezcla de gases a través del arco y por tanto se ioniza. La disociación o ionización subsiguiente produce un gas altamente calentado y conductor de electricidad a partir de iones positivos y electrones. En este chorro de plasma generado, se puede inyectar material de recubrimiento en polvo que se funde por la alta temperatura del plasma. La corriente de plasma arrastra las partículas de polvo y las lanza sobre la paleta a recubrir. Preferentemente el recubrimiento de plasma se realiza en atmósfera normal, atmósfera inerte, al vacío o incluso bajo el agua.

Al atomizar en una dirección de atomizado inclinada en contra de la dirección radial, se puede mostrar, en particular, el contorno exterior que se ensancha hacia afuera en la dirección radial. Para ello, se aplica más material de recubrimiento a los bordes exteriores del lado de la paleta, comparable al transporte por viento de la nieve en capas de peine, por lo que la inclinación de la dirección de atomización da lugar a una proyección correspondiente del chorro de material de recubrimiento sobre el flanco de la nervadura. Además, las nervaduras o recubrimientos adyacentes pueden sombrear parcialmente el chorro del material de recubrimiento, de modo que se aplica menos material de recubrimiento a medida que disminuye la distancia radial con respecto al eje de rotación.

Las direcciones de atomización pueden estar inclinadas en direcciones opuestas, pero en la misma cantidad, en contra de la dirección radial, preferentemente en un ángulo de atomización mayor que 20°, en particular mayor que 40°, y/o menor que 70°, en particular menor que 50°. El material de recubrimiento puede ser atomizado uno tras otro o simultáneamente desde ambas direcciones de atomizado.

Uno o más recubrimientos pueden ser acabados, simultánea o secuencialmente, después de que el material de recubrimiento se ha atomizado. En particular, un lado frontal radial exterior de los recubrimientos puede rectificarse, pulirse 0 acabarse de otra manera.

Otras ventajas y características se pueden apreciar en las reivindicaciones dependientes y en los ejemplos de modalidades. Para ello se muestra, en parte esquematizado:

En la Figura 1:

el anillo de refuerzo de una paleta de acuerdo con una modalidad de la presente invención en una vista en planta contra una dirección radial;

En la Figura 2:

una sección ampliada de las Figuras 3 o 4;

En la Figura 3:

una sección meridiana de una etapa de turbina de gas de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y En la Figura 4:

una sección meridiana de una etapa de turbina de gas de acuerdo con otra modalidad de la presente invención.

La Figura 3 muestra una sección meridiana de una etapa de turbina de gas de acuerdo con una modalidad de la presente invención con una paleta 5, en cuyo anillo de refuerzo 1 inclinado se dispone un conjunto de nervaduras con cinco nervaduras 2 dispuestas una detrás de la otra en dirección axial. Una superficie de sellado en forma de panal 4 se dispone radialmente con respecto al conjunto de nervaduras 2. En la modalidad, por lo demás idéntica, de la Figura 4, en lugar de la superficie de sellado en forma de panal se proporciona una superficie de sellado 4' con una o dos nervaduras (discontinuas).

La Figura 2 muestra una sección ampliada del anillo de refuerzo 1 con el conjunto de nervaduras. Como se puede apreciar particularmente aquí, un recubrimiento 3 se dispone en cada caso en los lados frontales radiales exteriores de las nervaduras 2, que están a la misma altura radial, de modo que las nervaduras tienen diferentes alturas debido al anillo de refuerzo 1 inclinado.

Este recubrimiento 3 se aplica por atomización secuencial de plasma, primero en una primera dirección de atomización S¹, y luego en una segunda dirección de atomización S², opuesta o simétrica a la misma, como indican las flechas de la Figura 2. Ambas direcciones de atomización están inclinadas, contra la dirección radial R en la que las nervaduras 2 se extienden, en un ángulo P¹= -P²= 45°.

De esa manera, sobre las nervaduras 2 surgen los recubrimientos 3, que en la sección meridiana de la Figura 2 tienen un contorno exterior que se ensancha hacia afuera en dirección radial. En otras palabras, si aumenta la distancia axial (horizontal en la Figura 2) entre los flancos exteriores 3.1 del contorno exterior de un recubrimiento 3 debido al aumento de la distancia radial con respecto a un eje de rotación de la turbina de gas (de abajo hacia arriba en la Figura 2), el recubrimiento se hace más ancho radialmente hacia afuera en la dirección axial. En consecuencia, se reduce el espacio s entre los flancos exteriores de los recubrimientos adyacentes y alcanza radialmente hacia afuera solo un 75 % del ancho axial b del lado frontal radial exterior de la más ancha de las dos nervaduras 2 adyacentes (a la izquierda en la Figura 2).

Debido a la superposición opuesta de las dos direcciones de atomización S¹, S²se puede mostrar una superficie frontal esencialmente plana de los recubrimientos 3. Del mismo modo, el recubrimiento, especialmente su superficie frontal radial exterior (arriba en la Figura 2) se puede acabar, especialmente pulir, después de la atomización.

Se puede apreciar, en particular en la Figura 2, que los recubrimientos 3, que se ensanchan en dirección radial hacia afuera o con una distancia radial cada vez mayor con respecto al eje de rotación, proporcionan una superficie de sellado en gran parte cerrada, en particular por técnica de líquidos, en donde el peso del conjunto de nervaduras sigue siendo ventajosamente bajo debido a los espacios entre las nervaduras.

Como puede apreciarse en la Figura 1, las nervaduras 2 están inclinadas contra la dirección circunferencial U en un ángulo a, que en el ejemplo de modalidad es de 2°. Para mayor claridad, en las figuras se indica la dirección circunferencial U y una dirección radial R, en donde las Figuras 2 a 4 pueden representar, cada una, una sección horizontal al plano de dibujo de la Figura 1, es decir, una dirección axial transcurre horizontalmente de izquierda a derecha en todas las figuras. No se muestra la capa atomizada.

Lista de referencia de los dibujos

1 Anillo de refuerzo

2 Conjunto de nervaduras

3 Recubrimiento

3.1 Flanco exterior del recubrimiento/contorno exterior del recubrimiento

4; 4' Superficie de sellado

5 Paleta

Claims

REIVINDICACIONES

1. Paleta (5) para una etapa de compresión o etapa de turbina de una turbina de gas, que tiene un conjunto de nervaduras radiales exteriores dispuestas sobre un anillo de refuerzo (1) de la paleta (5) con al menos dos nervaduras dirigidas radialmente hacia afuera (2), en donde las nervaduras (2) se disponen una detrás de otra en dirección axial y en dirección circunferencial (U) en un ángulo (a) desigual a 0°, que es menor que 10°, en donde las nervaduras (2) tienen un revestimiento (3) en las dos superficies laterales correspondientes axialmente opuestas, así como en el lado frontal radialmente exterior de las nervaduras (2), a través del cual se unen las superficies laterales, en donde el grosor del revestimiento (3) en una sección transversal a la nervadura (2) en las dos superficies laterales radiales de la nervadura (2) aumenta a medida que aumenta la distancia radial con respecto al eje de rotación de la turbina de gas.

2. Paleta (5) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque un revestimiento (3) se dispone sobre al menos dos nervaduras (2) adyacentes en cada caso, y en donde un espacio (s) entre los flancos opuestos (3.1) de los revestimientos (3) adyacentes corresponde como máximo a un ancho axial (b) de un lado frontal radial exterior de una de las dos nervaduras (2) adyacentes.

3. Paleta (5) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque al menos dos nervaduras (2) del conjunto de nervaduras tienen un lado frontal exterior en la dirección radial (R), que se encuentra, al menos sustancialmente, a la misma altura radial, y, a partir del lado frontal, tienen diferentes alturas en la dirección radial hacia el interior.

4. Paleta (5) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque al menos dos nervaduras (2) del conjunto de nervaduras tienen un lado frontal exterior en la dirección radial (R), que está a diferentes alturas radiales, en donde las nervaduras (2) tienen diferentes alturas en la dirección radial.

5. Paleta (5) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque un recubrimiento (3) tiene una mayor dureza que la nervadura (2) sobre la que se coloca.

6. Turbina que tiene un conjunto de paletas con al menos una paleta (5) de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.