MXPA00005372A - Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presion en turbinas de gas. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presion en turbinasde gas que comprende una pluralidad de grupos de paletas de estator, que estan asociados con una pluralidad de placas de sellado externas, para conexion de dichos grupos al revestimiento externo de la camara de combustion, y estan asociados con una pluralidad de placas de sellado internas, para conexion de dichos grupos con el revestimiento interno de la camara de combustion; cada uno de los grupos de paletas de estator esta asegurado mediante un anillo interno, y el anillo tiene una primera serie de agujeros externos para reforzar el aseguramiento, y una segunda serie, de agujeros pasantes internos, que se proveen en una extension interna del anillo y se utilizan para asegurar el propio anillo a la estructura de la turbina de gas.

Description

DISPOSITIVO DE SOPORTE Y ASEGURAMIENTO PARA BOQUILLAS DE UNA ETAPA DE ALTA PRESIÓN EN TURBINAS DE GAS MEMORIA DESCRIPTIVA La presente invención se refiere a un dispositivo de aseguramiento y soporte para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas. Como se sabe, las turbinas de gas son máquinas que consisten en un compresor y una turbina con una o más etapas, en donde estos componentes se conectan entre sí por un eje giratorio, y en donde se provee una cámara de combustión entre el compresor y la turbina. Con el fin de presurizar el compresor, se suministra con aire obtenido del ambiente externo. El aire comprimido pasa a través de una serie de cámaras de pre-mezclado, que terminan en una porción convergente, también conocida como la mortaja, en las cuales un inyector suministra combustible que se mezcla con el aire, para poder formar una mezcla de aire-combustible que será quemada. Para poder proveer las características de combustión, se provee generalmente un elemento que intercepta el flujo de aire obtenido desde el compresor, y tiene una forma compleja, que consiste en dos series de cuchillas, orientadas en direcciones opuestas, todo lo anterior diseñado para producir turbulencia en la mezcla de aire-combustible. El combustible es admitido en la cámara de combustión, que se enciende por medio de bujías correspondientes, para poder producir la combustión, que está diseñada para proporcionar un incremento en la temperatura y presión, y de esta manera entalpia del gas. De manera simultánea, el compresor suministra aire comprimido, que pasa a través de los quemadores, y a través de los revestimientos de la cámara de combustión, para que dicho aire comprimido esté disponible para auxiliar a la combustión. De manera subsecuente, a través de ductos correspondientes, el gas de alta temperatura, alta presión, alcanza las diferentes etapas de la turbina, que transforma la entalpia del gas en energía mecánica que está disponible para un usuario. En turbinas de dos etapas, el gas es procesado en la primera etapa de la turbina, en condiciones de temperatura y presión que son relativamente altas, y ahí experimenta expansión inicial; mientras que en la segunda etapa de la turbina, el gas presenta segunda expansión, en condiciones de temperatura y presión que son menores que en los casos anteriores. También se sabe que para poder obtener el mejor rendimiento desde una turbina de gas específica, la temperatura del gas necesita ser lo más alta posible; sin embargo, los valores de temperatura máximos que pueden obtenerse cuando se utiliza la turbina son limitados por la resistencia de los materiales utilizados. Para poder hacer evidentes los problemas técnicos que resuelve la presente invención, se provee una breve descripción de aquí en adelante de un estator de una etapa de alta presión de una turbina de gas de acuerdo con la técnica conocida. Corriente abajo de la cámara de combustión, la turbina tiene un estator y un rotor a alta presión, en donde el estator se utiliza para suministrar el flujo de gases quemados en condiciones adecuadas a la entrada del rotor, y, en particular, dirigirlo de manera apropiada a las aberturas de las cuchillas del rotor, y evitar que el flujo coincida directamente con la superficie dorsal o convexa y la superficie ventral o cóncava de las cuchillas. El estator consiste en una serie de paletas de estator, en donde se provee una boquilla correspondiente entre cada par de ellas. El grupo de paletas de estator tiene la forma de un anillo, y está conectado externamente al alojamiento de la turbina, e internamente a un soporte correspondiente. A este respecto, deberá notarse que un primer problema técnico de los estatores, en particular en el caso de etapas de alta presión, es provocado por el hecho que el estator es sometido a cargas de alta presión, debido a la reducción de presión del fluido, que se expande en las aberturas del estator. Además, el estator se somete a niveles de alta temperatura, debido al flujo de los gases calientes obtenido desde la cámara de combustión y, a los flujos de aire frío que son introducidos en la turbina, para poder enfriar las partes que se someten a la mayor tensión desde un punto de vista térmico. Específicamente debido a estas altas temperaturas, las paletas de estator que se utilizan en la etapa de alta presión de turbinas deberán ser enfriadas, y, para este propósito, tienen una superficie que está provista de manera conveniente con agujeros para ductos, que permiten la circulación de aire dentro de la propia paleta de estator. Otro problema que es particularmente bien conocido en la técnica es el de garantizar soporte y aseguramiento óptimos de las paletas de estator, en particular en la etapa de alta presión. Además, los estatores convencionales tienen sistemas de aseguramiento y soporte que no permiten el desmantelamiento fácil, cuando es necesario para realizar operaciones de mantenimiento o reemplazo de una o más de las paletas de estator que se desgastan o dañan. Otro problema consiste en el hecho que los estatores se someten a las vibraciones transmitidas por las paletas de estator durante el funcionamiento de la máquina. Sin embargo, las paletas de estator deben tener pequeñas dimensiones, debido a que los gases a alta presión tienen una densidad muy alta; esto significa que las secciones transversales de paso de las primeras etapas deberán ser considerablemente más pequeñas que las secciones transversales de paso de las etapas subsecuentes, cuando el gas ha experimentado expansión inicial.

El objeto de la presente invención es proveer un dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que sea particularmente confiable. Otro objeto de la invención es proveer un dispositivo que tenga una estructura simple y compacta. Un objeto más de la ¡nvención es proveer un dispositivo que tenga un bajo costo y comprenda un número reducido de partes componentes. Otro objeto de la invención es proveer un dispositivo de aseguramiento y soporte para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que permita colocación y desmantelamiento fácil de las paletas de estator como se requiera, para poder llevar a cabo el mantenimiento y opcionalmente el reemplazo de las mismas. Un objeto adicional de la invención es proveer un dispositivo que permite distancia óptima a las vibraciones que afectan las paletas de estator, y evitar que estas vibraciones sean transferidas a los otros elementos del motor. Otro objeto de la invención es proveer un dispositivo que sea seguro, simple y económico. Estos y otros objetos se logran mediante un dispositivo de aseguramiento y soporte para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que comprende una pluralidad de grupos de paletas de estator, que están asociados con una pluralidad de placas de sellado externas para conexión de estos grupos con el revestimiento externo de la cámara de combustión, y están asociados con una pluralidad de placas de sellado internas, para conexión con el revestimiento interno de la cámara de combustión, caracterizado porque cada uno de dichos grupos de paletas de estator está asegurado a un anillo interno, en donde dicho anillo tiene una primera serie de agujeros externos para reforzar el aseguramiento, y una segunda serie, de agujeros pasantes internos, que se provee en una extensión interna de dicho anillo, y se utilizan para asegurar el propio anillo a la estructura de la turbina de gas. De acuerdo con una modalidad preferida de la presente ¡nvención, cada uno de los grupos de paletas de estator tiene ranuras externas para acoplarse con las placas de sellado externas, y ranuras internas para acoplarse con las placas de sellado internas. Además, cada uno de los grupos de paletas de estator se conecta a través de ranuras externas a las placas de sellado externas, mediante un primer grupo de pasadores, y a través de ranuras internas a las placas de sellado internas, mediante un segundo grupo de pasadores. De acuerdo con otra modalidad preferida de la presente invención, una porción periférica del anillo tiene una ranura circunferencial, que se comunica con los agujeros pasantes, que a su vez se alinean con agujeros sin salida correspondientes. De acuerdo con una modalidad preferida adicional de la presente ¡nvención, los grupos de paletas de estator tienen en su interior placas que están provistas de agujeros, en donde dichas placas se insertan dentro de la ranura circunferencial, para que los agujeros se comuniquen con agujeros pasantes para poder reforzar el aseguramiento de los grupos de paletas de estator en el anillo, mediante pasadores. De acuerdo con otra modalidad preferida de la presente invención, cada uno de los grupos de paletas de estator tiene proyecciones que se empotran con el cuerpo de la turbina de gas. De acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención, el anillo tiene un ducto que se comunica entre el exterior de la cámara de combustión, y la porción corriente abajo de los grupos de paletas de estator, que se abre en una porción anterior del anillo, y tiene una primera porción, y una segunda porción, que tiene un diámetro más pequeño que la primera porción, y en donde la primera y segunda porciones se conectan entre sí mediante una porción adicional, frustocónica. Así mismo, el ducto se abre en la porción posterior del anillo, de cara a dicho elemento de tipo placa, en una porción final, frustocónica. Características adicionales de la invención se definen en las reivindicaciones que están anexas a la presente solicitud de patente. Otros objetos y ventajas de la presente ¡nvención serán evidentes a partir de la siguiente descripción y figuras anexas, que se proveen • solamente a manera de ejemplo explicativo, no limitativo, y en donde: - La figura 1 muestra una vista anterior de una porción de un grupo de paletas de estator, asegurado mediante un dispositivo de acuerdo con la presente invención; - La figura 2 muestra una vista posterior de una porción del grupo de paletas de estator mostrado en la figura 1 ; - La figura 3 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea lll-lll en la figura 2; - La figura 4 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea IV-IV en la figura 2; - La figura 5 muestra una vista en sección transversal de acuerdo con la línea V-V en la figura 1 ; - La figura 6 muestra una vista posterior de un grupo de paletas de estator; - La figura 7 muestra una vista anterior de un anillo de aseguramiento y soporte, de acuerdo con el dispositivo de la presente invención; - La figura 8 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea VIII-VIII en la figura 7; y - La figura 9 muestra una vista de acuerdo con la sección transversal a lo largo de la línea IX-IX en la figura 7. Con particular referencia a las figuras en cuestión, el dispositivo de aseguramiento y soporte para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, de acuerdo con la presente invención, se indica como un todo por el número de referencia 10. El dispositivo 10 comprende una pluralidad de grupos 12 de paletas de estator 13, cada uno de los cuales se conecta a través de una placa de sellado externa 11 al revestimiento externo de la cámara de combustión de la turbina de gas (no se muestra para simplicidad), todo lo anterior está diseñado para asegurar, mediante su contacto, que los gases calientes producidos en la cámara de combustión fluyan en su totalidad a través de las paletas de estator. Cada grupo 12 de paletas de estator 13 también está asociado con una placa de sellado interna 41 , para conexión con el revestimiento interno de la cámara de combustión de gas (no se muestra para efectos de simplicidad). La placa de sellado interna 41 funciona de manera similar a la placa de sellado externa 11. De esta manera, los grupos 12 de paletas de estator 13 están soportados a lo largo de un perfil anular que determina la sección transversal de paso de los gases, y están contenidos entre las placas de sellado externas 11 y las placas de sellado internas 41. Con mayor detalle, cada grupo 12 consiste en un par de paletas de estator 13, las cuales, mediante sus posiciones recíprocas, forman las boquillas 15 para el paso de gas; además, las paletas de estator 13 tienen sobre su superficie externa una pluralidad de agujeros de enfriamiento, que se comunican con ductos de enfriamiento internos. El grupo 12 de paletas de estator 13 está comprendido entre un perfil arqueado externo 22 y un perfil arqueado interno 23, y cada una de las paletas 13 tiene un perfil correspondiente en forma de ala.

Cada grupo 12 de paletas de estator 13 tiene ranuras externas 16 para acoplarse con las placas de sellado 11 , y ranuras internas 17 para acoplarse con las placas de sellado internas 41. Para poder reforzar la conexión de los grupos 12, se utilizan pasadores 18 para las ranura externas 16, y pasadores 19 para las ranuras internas 17, como se puede ver, por ejemplo, en las figuras 4-5. Esta conexión también es mejorada mediante el uso de resortes 20 para los pasadores 18, y resortes 21 para los pasadores 19. Los grupos 12 de paletas de estator 13 están asegurados en el interior mediante un anillo 14, que puede verse en la figura 7, y tiene una primera serie externa de agujeros 29, y una segunda serie interna de agujeros 28. El agujero pasante 28, que se provee sobre una extensión interna 34 del anillo 14, se utiliza para poder asegurar el propio anillo 14 a la estructura de la turbina de gas. Puede verse que una porción periférica del anillo 14 tiene una ranura circunferencial 30, que se comunica con los agujeros pasantes 29, que a su vez están alineados con agujeros sin salida correspondientes 31. Los grupos 12 de paletas de estator 13 tienen en su interior una serie de placas 43, que a su vez están provistas con agujeros 33, y se insertan dentro de la ranura circunferencial 30, para que dichos agujeros 33 se comuniquen con los agujeros pasantes 29. Los grupos 12 de paletas de estator 13 están asegurados en el anillo 14 mediante pasadores 50 que pasan a través de los agujeros 29 y los agujeros 33. También se provee una depresión circunferencial 36, asociada con el labio del anillo 14, que se comunica en sus propios extremos con los pasadores 50 insertados en los diversos agujeros 33 y 29. Otra característica de la ¡nvención consiste en el hecho que cada uno de los grupos 12 de paletas de estator 13 tiene proyecciones 42, que se empotran con el cuerpo de la turbina de gas. El anillo 14 tiene un ducto 26 para comunicación entre el exterior de la cámara de combustión y la porción corriente abajo de los grupos 12 de paletas de estator 13, que se abre en una porción anterior del anillo 14, y tiene una primera porción 26a y una segunda porción 26b con un diámetro menor que la porción 26a, en donde las dos porciones 26a y 26b están conectadas entre ellas por una porción adicional, frustocónica 26c. En la porción posterior del anillo 14, el ducto 26 se abre de cara al elemento de tipo placa 36, con una porción final, frustocónica 26d. Cuando la turbina de gas está funcionando, el flujo de gas a alta temperatura tiende a empujar al grupo 12 de paletas de estator 13 en una dirección axial hacia el área de las cuchillas del rotor. Sin embargo, el sistema de aseguramiento descrito, y en particular las proyecciones 42, cuando se empotran al cuerpo de la turbina de gas, tienden a fijar el grupo 12 en posición. Así mismo, el flujo de gas en las paletas de estator 13 tiende a hacer girar el grupo 12, mientras que la forma de la boquilla 15 dirige el flujo de gas en una dirección apropiada para hacer funcionar el rotor de la turbina. La tendencia del grupo 12 a girar está contraequilibrada por la conexión de grupos 12 al anillo 14, mediante placas 43, que se insertan dentro de la ranura circunferencial 30. La descripción provista pone en evidencia las características y ventajas del dispositivo de aseguramiento y soporte para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que es el objeto de la presente invención. Deberá apreciarse que muchas variantes pueden proveerse para el dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que es el objeto de la presente invención, sin apartarse de los principios de la novedad inherente en el concepto inventivo. Finalmente, cabe destacar que puede usarse cualquier material, forma o dimensión de los detalles ilustrados, como sea requerido, en la modalidad práctica de la invención, y puede remplazarse por otros que sean técnicamente equivalentes.

Claims (13)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, que comprende una pluralidad de grupos (12) de paletas de estator (13), que están asociados con una pluralidad de placas de sellado externas (1 1 ), para conexión de dichos grupos (12) con el revestimiento externo de la cámara de combustión, y están asociados con una pluralidad de placas de sellado internas (41 ), para conexión de dichos grupos (12) con el revestimiento interno de la cámara de combustión, caracterizado porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) está asegurado por un anillo interno (14), en donde dicho anillo (14) tiene una primera serie de agujeros externos (29) para reforzar este aseguramiento, y una segunda serie de agujeros internos pasantes (28), que se proveen en una extensión interna (34) de dicho anillo (14), y se utilizan para asegurar al propio anillo (14) a la estructura de la turbina de gas.

2.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) tiene ranuras externas (16) para acoplarse con dichas placas de sellado externas (1 1 ), y ranuras internas (17) para acoplarse con dichas placas de sellado internas (41 ).

3.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) está conectado, a través de dichas ranuras internas (16), a dichas placas de sellado externas (11 ), mediante pasadores (18), y a través de dichas ranuras internas (17), a dichas placas de sellado internas (41 ), mediante pasadores (19).

4.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la conexión a dichas placas de sellado externas (11 ) es mejorada mediante el uso de resortes (20) asociados con dichos pasadores (18), y la conexión de dichas placas de sellado internas (41 ) es mejorada mediante el uso de resortes (21 ) asociados con dichos pasadores (19).

5.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque una porción periférica de dicho anillo (14) tiene una ranura circunferencial (30), que se comunica con dichos agujeros pasantes (29), que a su vez se alinean con agujeros sin salida correspondientes (31).

6.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque dichos grupos (12) de paletas de estator (13) tienen en su interior placas (43) provistas con oficios (33), en donde dichas placas (33) se insertan dentro de dicha ranura circunferencial (30), para que dichos agujeros (33) se comuniquen con dichos agujeros pasantes (29), con el fin de reforzar el aseguramiento de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) en dicho anillo (14) mediante pasadores (50).

7.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque tiene una depresión circunferencial (36) asociada con el labio de dicho anillo (14), y que se comunica en sus propios extremos con los pasadores (50) insertados en dichos agujeros (33) y (29).

8.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) tienen proyecciones (42) que se empotran con el cuerpo de dicha turbina de gas.

9.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho anillo (14) tiene un ducto (26) para comunicación entre el exterior de la cámara de combustión y la porción corriente abajo de dichos grupos (12) de paletas de estator (13), que se abre en una porción anterior de dicho anillo (14), y tiene una primera porción (26a) y una segunda porción (26b) con un diámetro más pequeño que la porción (26a), al mismo tiempo que las dos porciones (26a y 26b) se conectan entre sí mediante una porción adicional, frustocónica (26c).

10.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho ducto (26) se abre, en la porción posterior del anillo (14), con una porción frustocónica (26d).

11.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada uno de dichos grupos (12) de paletas de estator (13) está contenido entre un perfil arqueado externo (22) y un perfil arqueado interno (23).

12.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada uno de dichos grupos (12) consiste en un par de paletas de estator (13), que, mediante su posición recíproca, forman las boquillas (15) para el paso de gas, en donde dichas paletas de estator (13) tienen en su superficie una pluralidad de agujeros de enfriamiento.

13.- Dispositivo de soporte y aseguramiento para boquillas de una etapa de alta presión en turbinas de gas, como se describió e ilustró sustancialmente en los dibujos anexos.