MX2011000711A - Junta anular de camisa en una turbina de gas. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a una turbina (10) de gas que comprende un rotor que puede rotar alrededor de un eje y está equipado con alabes (B1) de rotor y que está rodeado en forma concéntrica a distancia por una caja equipada con paletas (V1, V2) de distribución de manera que se forma un canal (29) de gas caliente de forma anular, en donde los anillos que tienen las paletas (V1, V2) de distribución y los alabes (B1) de rotor se disponen en forma alternada en la dirección axial, y se proporcionan segmentos (11) de acumulación térmica entre las paletas (V1, V2) de distribución adyacentes. Estos segmentos de acumulación térmica rodean por fuera el canal (29) de gas caliente en el área de los alabes (B1) de rotor y se refrigeran mediante refrigeración por incidencia, en donde el medio de refrigeración, en particular aire refrigerante fluye al interior de un segmento (11) de acumulación térmica desde una cavidad (30) anular externa. Para una turbina (10) de gas de este tipo la refrigeración más efectiva resulta posible porque el número de segmentos (11) de acumulación térmica y paletas (V1, V2) de distribución adyacentes en los anillos es igual.

Description

JUNTA ANULAR DE CAMISA EN UNA TURBINA DE GAS Campo de la Invención La presente invención se refiere al campo de las máquinas térmicas. Se refiere a una turbina de gas de acuerdo al preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes de la Invención Las turbinas de gas, como se describen ejemplarmente en el documento DE Al-196-19 438 tienen en la parte de turbina un rotor provisto con hileras de alabes de rotor, el cual está rodeado a distancia en forma concéntrica por una caja. En la caja se configuran anillos que soportan aletas de distribución, las cuales, al igual que los alabes de rotor del rotor, resaltan al interior del canal de gas caliente formado entre el rotor y la caja. En la dirección axial o bien en la dirección del flujo de gas caliente se alternan las hileras de alabes de rotor y de paletas de distribución. Entre las hileras de paletas de distribución adyacentes, para limitar exteriormente el canal de gas caliente se disponen, distribuidos sobre la periferia, segmentos de acumulación térmica por delante de los cuales se mueven las puntas de alabe de los alabes de rotor, y los cuales son alimentados con aire frío u otro medio refrigerante por un espacio anular (cavidad anular) que rodea los segmentos de acumulación térmica. Para la refrigeración se usa, por ejemplo, un Ref. 2171 12 proceso de refrigeración por choque en el cual a través de aberturas que se aplican de diversos modos en una lámina refrigerante por choque se impactan contra el lado interior de la pared del segmento de acumulación térmica que limita el canal de gas caliente.

Los segmentos de acumulación térmica ("heat shields" según se conocen en inglés) detrás de las paletas de distribución de la etapa frontal de la turbina están expuestos a elevadas cargas dé flujo térmico. En la región en que los alabes de rotor pasan girando se presentan elevadas cargas de flujo térmico. También en la región de cola de las paletas de distribución se presentan elevadas cargas de flujo térmico. Las ondas de presión de cola asociadas a la cola (31 en la figura 11) reducen el margen de presión (Margen de Contraflujo) , es decir la diferencia de presión disponible entre el gas de caliente y la cavidad anular contra una irrupción de gas caliente.

Un "diseño a prueba de fallas" contra roce (fisuras por fricción/rubing cracks), pérdida de obturación (sellos de lengüeta internos de pantalla térmica/inter heat shield feather seáis) , carga parcial (partload) , condiciones del entorno (off-ISO design según se conoce en inglés) , daño por impacto (FOD) y tolerancias de fabricación requieren de un margen considerable o bien BFM que en el caso de condiciones de carga máxima de ISO tiene un efecto negativo sobre el rendimiento .

El número de paletas de distribución en el anillo es independiente del número de los segmentos de acumulación térmica asociados en las soluciones convencionales. Se trata de minimizar al máximo el número de partes. En virtud de que las cargas térmicas y mecánicas de las paletas de distribución son mayores se requiere un mayor número de paletas de distribución en comparación con el número de segmentos de acumulación térmica.

En las figuras 1 a 3 se explican diversos esquemas de refrigeración por choque en una turbina 10 de gas mediante los segmentos 11 de acumulación térmica dispuestos frente a los primeros alabes Bl de rotor entre las primeras paletas VI de distribución y las segundas paletas V2 de distribución. En el canal 29 de gas caliente fluye gas caliente de derecha a izquierda con una densidad de masa de flujo mnG, siendo que en el canto delantero (Leading Edge, LE por sus siglas en inglés) del alabe Bl de rotor reina una presión PS,LE y en el canto trasero (Trailing Edge, TE por sus siglas en inglés) una presión PS,TE- En la región del alabe Bl de rotor el canal 29 de gas , caliente se limita por fuera mediante el segmento 11 de acumulación térmica que se fija mediante elementos 12, 13, 14 de fijación con forma de gancho en una caja (no t representada) . Al segmento 11 de acumulación térmica lo rodea por fuera una cavidad 30 anular desde la cual, a través de láminas 15, 16 de refrigeración por choque, al interior de dos cavidades 17, 18 de refrigeración por choque afluye un medio refrigerante, por lo general aire refrigerante, que se encuentra bajo presión Px y P2, alli refrigera el segmento de acumulación térmica mediante refrigeración por choque y luego sale al canal 9 de gas caliente a través de perforaciones 19, 20 de refrigeración.

En el caso más sencillo de la figura 1 es Pi = P2, de manera que el medio refrigerante afluye con la misma densidad mc de masa de flujo a las dos cavidades de refrigeración por choque. Para con las diferentes presiones en el canal de gas caliente poder mantener el margen de presión necesario se requiere operar con una diferencia de presión muy alta sobre toda la longitud del segmento 11 de acumulación térmica. Por este motivo son elevadas las pérdidas por fuga.

En el esquema de refrigeración por choque secuencial de la figura 2 se corrige esta desventaja al seleccionar ?? > P2. Sin embargo, debido a los posibles flujos transversales entre las cavidades 15, 16 de refrigeración por choque (flecha ancha superior en la figura 2) el sistema se vuelve sensible frente a las juntas (no mostradas) que se proporcionan en el lado frontal del elemento 13 de fijación para obturar los intersticios entre los segmentos de acumulación térmica adyacentes .

En el esquema de refrigeración por choque a contracorriente de la figura 3 esto también se corrige al seleccionar ?? < P2. Sin embargo con esto resulta crítico el ajuste del margen de presión frente al máximo de la presión de cola (compárese 31 en la figura 11) .

Sumario de la Invención En este aspecto quiere ayudar la invención. Por lo tanto es el objeto de la invención crear una turbina de gas con segmentos de acumulación térmica refrigerados por choque que evita las desventajas de las soluciones conocidas y se caracteriza en particular por una reducción del consumo de medio refrigerante.

El problema se resuelve mediante la totalidad de las características de la reivindicación 1. Para la invención es esencial que el húmero de segmentos de acumulación térmica y paletas de distribución adyacentes en los anillos es igual. Mediante esto es posible ocuparse localmente de las cargas máximas que se presentan, es decir, mediante refrigeración local. Se puede reducir considerablemente el consumo de refrigerante marginal y total. Esto permite mayores temperaturas y una menor necesidad de medio refrigerante para un mejor rendimiento así como perfiles de temperatura más planos para menores emisiones.

Un perfeccionamiento de la invención se caracteriza porque en el segmento de acumulación térmica se disponen en dirección axial en cada caso dos cavidades de refrigeración por choque sucesivas al interior de las que fluye el agente refrigerante de la cavidad anular, porque la cavidad de refrigeración por choque que se encuentra corriente abajo está separada de la cavidad anular y en ambas cavidades anulares incide el agente refrigerante con la misma presión, siendo que los segmentos de acumulación térmica tienen en cada caso un elemento de fijación central con forma de gancho, las dos cavidades de refrigeración por choque se encuentran separadas una de otra mediante el elemento de fijación central, y la cavidad de refrigeración por choque que se encuentra corriente abajo se separa de la cavidad anular mediante una placa de cubierta dispuesta entre la cavidad de refrigeración por choque y la cavidad anular.

Otro perfeccionamiento se caracteriza porque en las cavidades de refrigeración por choque se dispone distribuida una multitud de postes para aumentar la transición térmica, siendo que la multitud de postes comprende espaciadores para las láminas de refrigeración por choque y los botones de refrigeración para aumentar la transición térmica entre el medio de refrigeración y el segmento de acumulación térmica, y siendo que los postes se alojan en las cavidades de refrigeración por choque al menos por zonas en disposiciones regulares, y los espaciadores y los botones de refrigeración se disponen al tresbolillo.

Otro perfeccionamiento se caracteriza porque con relación al flujo del gas caliente, los segmentos de acumulación térmica tienen en cada caso un canto delantero, un canto trasero y dos regiones laterales, y que para la refrigeración mediante película de los cantos y regiones laterales del segmento de acumulación térmica se proporcionan perforaciones de refrigeración que a partir de las cavidades de refrigeración por choque atraviesan el segmento de acumulación térmica hacia todos lados y terminan en el espacio exterior. En particular las perforaciones de refrigeración que terminan en las regiones laterales opuestas del segmento de acumulación térmica se encuentran dispuestas al tresbolillo de manera que el medio refrigerante que sale en segmentos de acumulación térmica lindantes no se obstaculiza mutuamente la salida.

Además es una ventaja que para la salida no obstaculizada del medio refrigerante las perforaciones de refrigeración en el canto delantero y en las regiones laterales terminen retraídas en una escotadura y que las per oraciones de refrigeración en la región de las esquinas del segmento de acumulación térmica se configuran abocinadas para la mejor refrigeración de las regiones de los cantos.

Otro perfeccionamiento de la invención se caracteriza porque cada segmento de acumulación térmica y la paleta de distribución asociada que se encuentra dispuesta corriente arriba se colocan relativamente uno a otra en la dirección periférica de manera que la onda de presión de cola generada por la paleta de distribución se puede compensar mediante una correspondiente disposición y alimentación de las perforaciones de refrigeración afectadas, siendo que las perforaciones de refrigeración que se encuentran en la región de la onda de presión de cola preferiblemente desembocan en las cavidades de refrigeración por choque por encima de las láminas de refrigeración por choque.

Breve descripción de las figuras La invención se explicará a continuación con más detalle mediante ejemplos de realización en conexión con el dibujo. Se omitieron todos los elementos no esenciales para el entendimiento directo de la invención. Los elementos iguales están provistos en las diferentes figuras con los mismos símbolos de referencia. La dirección de flujo de los medios se indica con flechas. Muestran Figura 1 a 3, en una representación simplificada en sección longitudinal el detalle de una turbina de gas con segmentos de acumulación térmica dispuestos entre la primera y la segunda, hilera de paletas de distribución que se refrigeran mediante un esquema de refrigeración por choque sencillo (figura 1) , uno secuencial (figura 2) y uno que opera a contra-flujo; Figura 4 en una representación comparativa a la figura 1-3, un esquema de refrigeración por choque de conformidad con un ejemplo de realización de la invención; Figura 5 un segmento de acumulación térmica adecuado para una disposición de acuerdo a la figura 4, con la disposición de las diferentes perforaciones y escotaduras de refrigeración en una vista en planta superior desde el exterio ; Figura 6 en una representación comparable a la de la figura 4 el segmento de acumulación térmica de acuerdo a la figura 5 montado; Figura 7 la disposición de postes en las cavidades de refrigeración por choque del segmento de acumulación térmica, de conformidad con otro ejemplo de realización de la invención; Figura 8 en sección longitudinal uno de los postes posibles de la figura 7 que se proporciona como espaciador para las láminas de refrigeración por choque; Figura 9 en sección longitudinal otro de los posibles postes de la figura 7 que se proporciona como botón de refrigeración con superficie de transición térmica adicional; Figura 10 una distribución preferida de los postes de la figura 8 y 9 en las cavidades de refrigeración por choque; Figura 11 vista en dirección radial, la posición relativa en la dirección periférica de la paleta de distribución y el segmento de acumulación térmico, importante para el margen de presión, y ( Figura 12 un ejemplo para la disminución local del espesor de pared mediante una ranura en donde las perforaciones de ref igeración desembocan en las cavidades de refrigeración por choque.

Descripción Detallada de la Invención En la figura 4 se reproduce un representación comparable a la de las figuras 1 a 3 de un ejemplo de realización de la invención: se presupone el mismo número de partes en el anillo para las paletas VI de distribución y los segmentos 11 de acumulación térmica. El segmento 11 de acumulación térmica tiene dos cavidades 17 y 18 de refrigeración por choque que se encuentran separadas una de otra mediante el elemento 13 de fijación central con forma de gancho y que se operan con la misma presión Pi . La segunda cavidad 17 de refrigeración por choque colocada corriente abajo se aisla de la cavidad 30 anular mediante una placa 21 de cubierta. El margen de presión para la refrigeración por choque y el margen de presión para las juntas de lengüeta entre segmentos adyacentes se pueden ajustar independientemente uno de otro. Una pérdida de obturación ya no conduce a una disminución de la presión del medio refrigerante. Es posible reducir el margen de la presión del medio refrigerante. La presión (P2) por encima de la placa 21 de cubierta se puede ajustar de manera que el paso del alabe Bl de rotor no ocasione una oscilación de la junta y por consiguiente tampoco se produce una falla de obturación.

Para mejorar la refrigeración del segmento 11 de acumulación térmica se proporciona preferiblemente una película de refrigeración para el canto LE anterior, el canto TE trasero y las regiones S laterales de conformidad con la figura 5 y 6. Para este propósito las perforaciones 19, 19', 20, 20', 25 y 26 de refrigeración de las cavidades 17, 18 de refrigeración por choque conducen al exterior y desembocan en el espacio exterior. Las perforaciones 25 y 26 de refrigeración en las regiones SW laterales (vistas en dirección periférica) se encuentran dispuestas al tresbolillo, de manera que el aire saliente no se obstaculiza mutuamente la salida en los segmentos 11 de acumulación térmica lindantes.

En la región LE de canto anterior y en la región SW lateral las perforaciones 20, 20' y 25, 26 se encuentran dispuestas retraídas mediante escotaduras 22, 23 y 2 correspondientes en las caras frontales, de manera que al contacto del componente con el componente adyacente el aire sigue pudiendo salir sin impedimento. Las perforaciones 19', 20' de refrigeración se abocinan en la región de las esquinas del segmento 11 de acumulación térmica para refrigerar de manera óptima las regiones de los cantos.

La refrigeración por choque. se puede mejorar adicionalmente si en las cavidades 17, 18 de refrigeración por choque se proporcionan postes 28 de forma cónica adicionales que, de acuerdo a la figura 7 se disponen distribuidos al tresbolillo con los agujeros 27 en las láminas de refrigeración por choque. Resulta particularmente favorable la combinación de la refrigeración por choque con dos tipos de postes 28 de forma cónica (figuras 8-10) . Un tipo de poste (figura 8) se configura como espaciador 28a para las láminas 15, 16 de refrigeración por choque. El otro tipo de poste (figura 9) sirve como botón de refrigeración para aumentar la turbulencia, el flujo térmico y la superficie de transición de calor. Ambos tipos de poste, los espaciadores 28a y los botones 28b de refrigeración se pueden disponer al tresbolillo de acuerdo a la figura 10 para aumentar la transición térmica.

En la región detrás de la paleta VI de distribución delantera, en donde la cola se mueve en forma de una onda 31 de presión de cola, y específicamente el canto LE delantero y el canto lateral SW (figura 11), las perforaciones 20' 1 de refrigeración (punteadas en la figura 4, 11) correspondientes se alimentan desde arriba de la lámina 16 de ref igeración por choque con medio refrigerante (aire) de mayor presión para aumentar el margen de presión. En virtud de que no es necesario aumentar el margen de presión de todas las perforaciones, resulta una considerable ventaja de rendimiento .

En particular, mediante adelanto o retracción uno respecto a otro de los componentes 11, VI en el plano de separación, la onda 31 de presión de cola se coloca de tal manera en el segmento 11 de acumulación térmica (flechas de desplazamiento en la figura 11) que se ajustan en total de manera óptima tanto el margen de presión de las perforaciones de refrigeración en los cantos delanteros y en la región lateral, y del intersticio anular, así como también el consumo de aire de refrigeración.

El tamaño de las cavidades 17, 18 de refrigeración por choque se selecciona de manera que se produce una refrigeración óptima. El segmento 11 de acumulación térmica preferiblemente esta provisto con una capa de protección de cerámica (Thermal Barrier Coating TBC) , siendo que se seleccionan grosores y tolerancias diferentes en las regiones corriente arriba de donde pasa girando el alabe Bl de rotor y en el sitio donde pasa por delante el alabe Bl de rotor. Para la región que se encuentra corriente arriba de donde pasa girando el alabe Bl de rotor se seleccionan grosores mayores de la capa de protección para reducir el efecto de cola, en cambio para la región por donde pasa por delante el alabe Bl de rotor se seleccionan tolerancias de fabricación pequeñas, para minimizar las pérdidas de rendimiento.

Las perforaciones 19, 19', 20, 20', 25, 26 se colocan en el canal 29 de gas caliente lo más cerca posible del gas caliente. Las tolerancias de fabricación, los grosores de pared globales y la fricción y oxidación se sujetan a criterios mínimos. Por este motivo el grosor de pared se reduce localmente, preferiblemente mediante una ranura 32, en donde las perforaciones de refrigeración desembocan en las cavidadés de refrigeración por choque (figura 12) .

Lista de símbolos de referencia 10 Turbina de gas 11 Segmento de acumulación térmica 12,13,14 Elemento de fijación 15,16 Lámina de refrigeración por choque 17,18 Cavidad de refrigeración por choque 19,19' Perforación de refrigeración 20,20' ,20'' Perforación de refrigeración 21 Placa de cubierta 22,23,24 Escotadura 25,26 Perforación de refrigeración 27 Agujero · 28 Poste 28a Espaciador 28b Botón de refrigeración 29 Canal de gas caliente 30 Cavidad anular 31 Onda de presión de cola 32 Ranura Bl alabe de rotor LE Canto delantero TE Canto trasero SW Región lateral mc Densidad de masa de flujo (aire ref igerante) mHG Densidad de masa de flujo (gas caliente) Px, P2 Presión (aire refrigerante) PS;TE Presión (canto trasero) PS,LE Presión (canto delantero) VI, V2 Paleta de distribución Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (13)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Turbina de gas que comprende un rotor provisto con alabes de rotor que gira alrededor de un eje, el cual esta rodeado a distancia en forma concéntrica por una caja provista con paletas de distribución, con la formación de un canal de gas caliente anular, siendo que los anillos con las paletas de distribución y los alabes de rotor se disponen distribuidos en forma alternativa en la dirección axial, y entre las paletas de distribución adyacentes se proporcionan segmentos de acumulación térmica que limitan el canal de gas caliente hacía el exterior en la región de los alabes de rotor y se refrigeran mediante una refrigeración por choque, con la que de una cavidad anular externa fluye al interior del segmento de acumulación térmica un medio de refrigeración, en particular aire refrigerante, caracterizada porque el número de segmentos de acumulación térmica y paletas de distribución adyacentes en los anillos es igual.

2. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque en el segmento de acumulación térmica se disponen en cada caso sucesivamente en la dirección axial dos cavidades de refrigeración por choque al interior de las cuales fluye el medio de refrigeración de la cavidad anular.

3. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la cavidad de refrigeración por choque que se encuentra corriente abajo está separada de la cavidad anular, y . en ambas cavidades el medio de refrigeración puede incidir con la misma presión.

4. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque los segmentos de acumulación térmica comprenden en cada caso un elemento de fijación central con forma de gancho, porque' las dos cavidades de refrigeración por choque se separan una de otra mediante el elemento de fijación central, y porque la cavidad de refrigeración por choque que se encuentra corriente abajo se separa de ' la cavidad anular mediante una placa de cubierta dispuesta entre la cavidad de refrigeración por choque y la cavidad anular.

5. Turbina de gas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque en las cavidades de refrigeración por choque se disponen distribuidos una multitud de postes para incrementar lá transición térmica.

6. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque la multitud de los postes comprende espaciadores para las láminas de refrigeración por choque y botones de refrigeración para incrementar la transición térmica entre el medio de refrigeración y el segmento de acumulación térmica.

7. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque los postes se acomodan en las cavidades de refrigeración por choque en disposiciones que son regulares al menos por zonas, y porque los espaciadores y los botones de refrigeración se disponen al tresbolillo.

8. Turbina de gas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada porque, con relación al flujo del gas caliente, ' los segmentos de acumulación térmica tienen en cada caso un canto delantero, un canto trasero y dos regiones laterales, y porque para la refrigeración mediante película de los cantos delanteros y traseros y las regiones laterales del segmento de acumulación térmica se proporcionan perforaciones de refrigeración que a partir de las cavidades de refrigeración por choque atraviesan el segmento de acumulación térmica hacía todos lados y terminan en el espacio exterior.

9. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque las perforaciones de ref igeración que terminan en las regiones laterales opuestas del segmento de acumulación térmica se encuentran dispuestas desplazadas una con relación a otra de manera que el medio de ref igeración que sale en segmentos de acumulación térmica lindantes no se obstaculiza mutuamente la salida.

10. Turbina de gas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9, caracterizada porque para la salida sin obstáculo del medio refrigerante, las perforaciones de refrigeración del canto delantero y de las regiones laterales terminan retraídas en una escotadura.

11. Turbina de gas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque las perforaciones de refrigeración en la región de las esquinas del segmento de acumulación térmica se configuran abocinadas para la mejor refrigeración de las regiones de los cantos.

12. Turbina de gas de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada porque cada segmento de acumulación térmica y la paleta de distribución asociada que se encuentra dispuesta corriente arriba se colocan en la dirección periférica relativamente uno a otro de manera que la onda de presión de cola producida por la paleta de distribución se puede compensar mediante una disposición y alimentación correspondiente de las perforaciones de refrigeración afectadas.

13. Turbina de gas de conformidad con la reivindicación 12, caracterizada porque las perforaciones de refrigeración que se encuentran en la región de la onda de presión de cola desembocan en las cavidades de refrigeración por choque por encima de las láminas de refrigeración por choque.