MXPA05004420A - Ducto de transicion enfriado por efusion con agujeros de enfriamiento configurados. - Google Patents

Ducto de transicion enfriado por efusion con agujeros de enfriamiento configurados.

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Abstract

Se describe un ducto de transicion (40) enfriado por efusion con agujeros de enfriamiento de pelicula angulados en las direcciones axial y opcionalmente transversal.

Description

DUCTO DE TRANSICIÓN ENFRIADO POR EFUSION CON AGUJEROS DE ENFRIAMIENTO CONFIGURADOS Esta es una continuación en parte de una solicitud de patente co-pendiente de EE.UU . con número de serie 09/683,290 presentada el 1 0 de Diciembre del 2001 , que ha sido asignada al cesionario de la misma.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se aplica a la sección de combustión de motores con turbinas a gas usados en centrales termoeléctricas para generar electricidad. Más específicamente, esta invención se refiere a la estructura que transfiere gases de combustión calientes de una cámara de combustión anular a la entrada de una turbina. En una cámara de combustión anular de turbina a gas, típica, una pluralidad de combustores se encuentran ordenados en un orden anular alrededor del motor. Los gases calientes que salen de los combustores son utilizados para rotar la turbina, que se encuentra conectada a un eje que mueve un generador para generar electricidad. Los gases calientes se transfieren del combustor a la turbina por un ducto de transición. Debido a la posición de los combustores en relación a la entrada de la turbina, el ducto de transición debe cambiar la forma transversal de una forma generalmente cilindrica a la salida del combustor a una forma generalmente rectangular a la entrada de la turbina, así como cambiar - 2 -la posición radial, ya que los combustores están montados típicamente radialmente fuera de la turbina. La combinación de los complejos cambios geométricos así como las excesivas temperaturas observadas por el ducto de transición crean un ambiente operativo difícil que puede llevar a reparaciones y reemplazos prematuros de los ductos de transición. Para soportar las temperaturas calientes de los gases combustores, los ductos de transición son típicamente enfriados, usualmente por aire, ya sea con canales de enfriamiento internos o mediante enfriamiento incidente. Agrietamientos catastróficos han sido observados en ductos de transición internamente enfriados con aire que tienen excesivos cambios geométricos que operan en este ambiente de alta temperatura. A partir de análisis extensivos, estos agrietamientos pueden ser atribuidos a varios factores. Específicamente, altas tensiones estacionarias han sido encontradas en la región alrededor del extremo posterior del ducto de transición en donde hay cambios geométricos agudos. Adicionalmente se ha encontrado que las concentraciones de tensión pueden ser atribuidas a esquinas agudas en donde los agujeros de enfriamiento interceptan los canales de enfriamiento internos en el ducto de transición. Además de las complicaciones debido a las condiciones de alta tensión están las diferencias de temperatura extremas entre los componentes del ducto de transición. La presente invención busca superar las deficiencias descritas en la técnica anterior y ahora será descrita con referencia - 3 -particular a los dibujos anexos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Figura 1 es una vista en perspectiva de un ducto de transición de la técnica anterior. Figura 2 es una vista transversal de un ducto de transición de la técnica anterior. Figura 3 es una vista en perspectiva de una porción del montaje de enfriamiento del ducto de transición de la técnica anterior. Figura 4 es una vista en perspectiva del ducto de transición de la presente invención. Figura 5 es una vista transversal del ducto de transición de la presente invención. Figura 6 es una vista en perspectiva de una porción del montaje de enfriamiento del ducto de transición de la presente invención. Figura 7 es una vista transversal de una modalidad alternativa de la presente invención que revela un tipo alternativo de agujeros de enfriamiento para un ducto de transición. Figura 8 es una vista superior de una porción de una modalidad alternativa de la presente invención que revela un tipo alternativo de agujeros de enfriamiento para un ducto de transición. Figura 9 es una vista de corte tomada por la porción de una modalidad alternativa de la presente invención mostrada en la Figura 8, mostrando un tipo alternativo de agujeros de enfriamiento - 4 -para un ducto de transición.
DESCRIPCIÓN DETALLADA En referencia a la Figura 1 , un ducto de transición 1 0 de la técnica anterior es mostrado en una vista en perspectiva. El ducto de transición incluye una saliente de entrada generalmente cilindrica 1 1 y un marco de salida generalmente rectangular 12. La cámara de combustión anular (no mostrada) engrana el ducto de transición 10 en la saliente de entrada 1 1 . Los gases calientes de combustión pasan por el ducto de transición 10 y pasan por el marco de salida 12 y hacia la turbina (no mostrada). El ducto de transición 10 está montado al motor por un dispositivo de ensamblaje delantero 13, fijo a la superficie exterior de la saliente de entrada 1 1 y montado a la turbina por un dispositivo de ensamblaje posterior 14, que está fijo al marco exterior 12. Un montaje de panel 15, conecta la saliente de entrada 1 1 al marco de salida 12 y provee el cambio en la forma geométrica para el ducto de transición 10. Este cambio en la forma geométrica es mostrado en mayor detalle en la Figura 2. El montaje de panel 15 que se extiende entre la saliente de entrada 1 1 y el marco de salida 12 y que incluye un primer panel 17 y un segundo panel 18, se torna más estrecho de una forma generalmente cilindrica en la saliente de entrada 1 1 a una forma generalmente rectangular en el marco de salida 12. La mayoría de este estrechamiento ocurre hacia el extremo posterior del montaje de panel 15 cerca del marco de salida 12 en una región de curvatura 16. - 5 - Esta región de curvatura incluye dos radios de curvatura, 16A en el primer panel 17 y 16B en el segundo panel 18. Cada uno de los paneles 17 y 18, consiste en una pluralidad de capas de hojas de metal prensadas juntas para formar canales entre las capas de metal. El aire pasa a través de estos canales para enfriar los ductos de transición 10 y mantener las temperaturas del metal del montaje de panel 15 dentro de un rango aceptable. Esta configuración de enfriamiento es detallada en la Figura 3. Una vista en corte del montaje de panel 15 con detalles del montaje de enfriamiento de canal, es mostrada en detalle en la Figura 3. El canal 30 está formado entre las capas 17A y 17B del panel 17 dentro del montaje de panel 15. El aire de enfriamiento entra al ducto 10 a través del agujero de entrada 31 , pasa por un canal directo 30, enfriando así la capa de panel 17A, y sale hacia el la trayectoria de gas del ducto 19 hacia el agujero de salida 32. Este método de enfriamiento provee una cantidad adecuada de enfriamiento en regiones locales, pero tiene desventajas en términos de dificultad en manufactura y costo, y se ha encontrado que contribuye al agrietamiento de los ductos cuando se combina con la geometría y las condiciones de operación de la técnica anterior. La presente invención, un ducto de transición mejorado que incorpora el enfriamiento por efusión y cambios geométricos, es presentado abajo y mostrado en las Figuras 4-6. Un ducto de transición mejorado 40 incluye una saliente de entrada generalmente cilindrica 41 , un marco de extremo posterior - 6 -generalmente rectangular 42, y un montaje de panel 45. El montaje de panel 45 incluye un primer panel 46 y un segundo panel 47, cada uno construido de una sola hoja de metal de por lo menos 0.32 centímetros de grosor. El montaje de panel, saliente de entrada y marco final están típicamente construidos de una superaleación a base de níquel como Inconel 625. El panel 46 se fija al panel 47 por elementos como soldadura, formando un ducto que tiene una pared interior 48, una pared externa 49, un extremo de entrada generalmente cilindrico 50, y un extremo de salida generalmente rectangular 51 . La saliente de entrada 41 se fija al montaje de panel 45 en el extremo de entrada cilindrico 50 mientras que el marco final posterior se fija al montaje de panel 45 en un extremo de salida rectangular 51 . El ducto de transición 40 incluye una región de curvatura 52 en donde el ducto generalmente cilindrico, se estrecha hacía la forma generalmente rectangular. Un primer radio de curvatura 52A, localizado a lo largo del primer panel 46 es, por lo menos de 25.4 centímetros mientras que el segundo radio de curvatura 52B, localizado a lo largo del segundo panel 47 es de por lo menos 7.62 centímetros. Esta región de curvatura es mayor que la de la técnica anterior y sirve para proveer una curvatura más gradual del montaje de panel 45 al marco final 42. Una curvatura más gradual permite que las tensiones operacionales se distribuyan a través de todo el montaje de panel y no se concentren en una sola sección. El resultado es tensiones operacionales inferiores para el ducto de transición 40. - 7 - El ducto de transición mejorado 40, utiliza un esquema de enfriado de tipo efusión que consiste en una pluralidad de agujeros de enfriamientos 60 que se extienden desde la pared exterior 49 hacia la pared interior 48 del montaje de panel 45. Los agujeros de enfriamiento 60 están perforados a un diámetro D, en dirección aguas abajo hacia el marco final posterior 42, con los agujeros formando un ángulo agudo ß relativo a la pared exterior 49. Los agujeros de enfriamiento angulados proveen un incremento en la efectividad del enfriamiento por una cantidad conocida de aire de enfriamiento debido a la longitud extra del agujero, de aquí que también se enfríe material extra. Con el propósito de proveer un patrón de enfriamiento uniforme, el espacio entre los agujeros de enfriamiento es una función del diámetro del agujero, de aquí que haya una distancia más grande entre los agujeros entre más incremente el tamaño de los agujeros, por un conocido grosor del material. Los esquemas de enfriamiento aceptables de la presente invención pueden variar en base a las condiciones de operación, pero cualquiera de estos incluye agujeros de enfriamiento 60 con un diámetro D de por lo menos 0.1 016 centímetros en un ángulo máximo ß a la pared interior 49 de 30 grados, con un espacio entre cada agujero P, en las direcciones, axial y transversal, siguiendo la relación: P (15xD). Tal espaciado entre agujeros, logrará un área de superficie por los agujeros de enfriamiento de por lo menos 20%. Utilizando este esquema de enfriamiento de tipo efusión elimina la necesidad de tener múltiples capas de hojas de metal con - 8 -canales de enfriamiento internos y agujeros que pueden ser complejos y costoso al manufacturar. Además, el enfriamiento de tipo efusión provee un patrón de enfriamiento más uniforme a través del ducto de transición. Este esquema de enfriamiento mejorado en combinación con la curvatura geométrica más gradual reducirá las tensiones de operación en el ducto de transición y produce un componente más confiable que requiere menos reemplazos. En una modalidad alternativa de la presente invención, un ducto de transición, que contiene una pluralidad de agujeros de enfriamiento que se estrechan, es presentado. Se ha determinado que incrementando el diámetro del agujero hacia la reglón de salida del agujero de enfriamiento, que está próxima a los gases de combustión calientes de un ducto de transición, reduce la velocidad de salida del fluido de enfriamiento y soplado de la película potencial. En un ducto de transición enfriado por efusión, el fluido de enfriamiento no solo enfría la pared del montaje de panel mientras pasa por el agujero, sino que el agujero se encuentra angulado con el propósito de dejar una película de fluido de enfriamiento a lo largo de la superficie de la pared interior del montaje de panel con el propósito de proveer un enfriamiento de la superficie entre las filas de los agujeros de enfriamiento. El soplado de película ocurre cuando la velocidad de un fluido de enfriamiento saliendo de un agujero de enfriamiento es lo suficientemente alta para penetrar dentro de la corriente principal del los gases de combustión calientes. Como resultado, el fluido de enfriamiento se mezcla con los gases de - 9 -combustión calientes, en vez de permanecer como una capa de película de enfriamiento a lo largo de la pared interior del montaje de panel para enfriar de manera activa la pared interior entre las filas de los agujeros de enfriamiento. Al incrementar el diámetro de salida de un agujero de enfriamiento, el área transversal del agujero de enfriamiento en el plano de salida es incrementado, y por una dada cantidad de fluido de enfriamiento, la velocidad de salida decrecerá en comparación a la velocidad de entrada. De aquí que, la penetración del fluido de enfriamiento hacia el flujo de gases de combustión calientes es reducida y el fluido de enfriamiento tiende a permanecer a lo largo de la pared interior del montaje de panel del ducto de transición, proveyendo así una película mejorada de fluido de enfriamiento, que resulta en un diseño de enfriamiento más eficiente para un ducto de transición. En referencia ahora a las Figuras 7-9, una modalidad alternativa de la presente invención que incorpora agujeros de enfriamiento de película moldeados se muestra en detalle. Las características de la modalidad alternativa de la presente invención son idénticas a las mostradas en las Figuras 3-6, con la excepción de los agujeros de enfriamiento usados para el diseño de enfriamiento por efusión. El ducto de transición 40 incluye un montaje de panel 45 formado por un primer panel 46 y un segundo panel 47, que están cada uno fabricado de una sola hoja de metal, y ensamblados entre sí por un medio tal como soldadura a lo largo de una pluralidad de costuras axiales 57 para formar el montaje de panel 45. Como - 10 -resultado, el montaje de panel 45 contiene una pared interior 48 y pared externa 49 y un espesor entre ambas. Como con la modalidad preferida, la modalidad alternativa contiene un extremo de entrada generalmente cilindrico 50 y un extremo de salida generalmente rectangular 51 con el extremo de entrada 50 definiendo un primer plano 55 y el extremo de salida 51 definiendo un segundo plano 56 con el primer plano 55 orientado a un ángulo relativo al segundo plano 56. Fijo al extremo interior 50 del montaje de panel 45 se encuentra una camisa de entrada generalmente cilindrica 41 que tiene un diámetro interno 53 y un diámetro externo 54, mientras que fijo a un extremo de salida 51 del montaje de panel 45 se encuentra un marco final posterior generalmente rectangular 42. Es preferible que el montaje de panel 45, la camisa de entrada 41 , y marco final posterior 42 estén manufacturados de una superaleación a base de níquel como Inconnel 625, con el montaje de panel 45 teniendo un grosor de por lo menos 0.32 centímetros. La modalidad alternativa de la presente invención, ducto de transición 40 contiene una pluralidad de agujeros de enfriamiento 70 localizados en el montaje de panel 45, con agujeros de enriamiento 70 encontrados tanto en el primer panel 46 como en el segundo panel 47. Cada uno de los agujeros de enfriamiento 70 están separados de un agujero de enfriamiento adyacente en la dirección axial y transversal por una distancia P, tal como se muestra en la Figura 8, con la dirección axial estando substancialmente paralela al flujo de gases a lo largo del ducto de transición 40 y la dirección transversal - 11 -generalmente perpendicular a la dirección axial. Los agujeros de enfriamiento 70, están espaciados a lo largo del montaje de panel 45 de tal manera que provean un enfriamiento uniforme al montaje de panel 45. Se ha determinado que para esta configuración, la distancia P más efectiva entre los agujeros de enfriamiento 70 es de por lo menos 0.508 centímetros con una distancia máxima P de 5.08 centímetros en la dirección axial y 1 .016 centímetros en la dirección transversal. En referencia ahora a la Figura 9, los agujeros de enfriamiento 70 se extienden de la pared exterior 49 a la pared interior 48 del montaje de panel 45 con cada uno de los agujeros de enfriamiento 70 perforados en un ángulo ß de superficie agudo relativo a la pared exterior 49. Los agujeros de enfriamiento 70 están perforados en el montaje de panel 45 desde la pared exterior 49 a la pared interior 48, de aquí que cuando están en operación, el fluido de enfriamiento pasa hacia el extremo posterior del ducto de transición 40. Además, los agujeros de enfriamiento 70 también están perforados en un ángulo transversal ?, como se muestra en la Figura 8, en donde ? es medido desde la dirección axial que generalmente se encuentra paralela al flujo de gases de combustión calientes. Típicamente, ángulo ß de superficie agudo tiene un rango entre 15 grados y 30 grados, medido desde la pared exterior 49, mientras el ángulo transversal ? mide entre 30 grados y 45 grados. Una característica adicional de los agujeros de enfriamiento 70 es la forma del agujero de enfriamiento. En - 12 -referencia de nuevo a la Figura 9, los agujeros de enfriamiento 70 tienen un primer diámetro D 1 y un segundo diámetro D2 de manera que los dos diámetros D1 y D2 se miden perpendicuiarmente a una línea central CL del agujero de enfriamiento 70 en donde el agujero de enfriamiento 70 intercepta la pared exterior 49 y pared interior 48. Los agujeros de enfriamiento 70 tienen tal tamaño que el segundo diámetro D2 es mayor que el primer diámetro D1 resultando así una forma generalmente cónica. Se prefiere que los agujeros de enfriamiento 70 tengan un primer diámetro D1 de por lo menos 0.0635 centímetros mientras que tenga un segundo diámetro D2 de por lo menos 0.1 143 centímetros. Utilizando un agujero generalmente cónico tiene como resultado una reducción en la velocidad del fluido de enfriamiento dentro del agujero de enfriamiento 70 que permitirá que el fluido de enfriamiento permanezca como una película a lo largo de la pared interior 48 una vez que salga del agujero de enfriamiento 70. La efectividad de esta película de enfriamiento mejorada da como resultada un mejoramiento en toda la transferencia de calor y en la durabilidad del ducto de transición. Aunque la invención ha sido descrita en lo que se conoce presentemente como la modalidad preferida, se debe de entender que la invención no se limita a la modalidad expuesta, sino que por lo contrario, se intentan cubrir varias modificaciones y arreglos equivalentes dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (1)

  1. - 13 - REIVINDICACIONES 1 . Un ducto de transición enfriado por efusión (40) para transferir gases calientes de un combustor a una turbina que comprende: un montaje de panel (45) que comprende: un primer panel (46) formado por una sola hoja de metal; un segundo panel (47) formado por una sola hoja de metal; dicho primer panel (46) fijo a dicho segundo panel (47) por un medio tal como soldadura, formando así un ducto (40) teniendo una pared interior (48), una pared externa (49), un espesor entre dichas paredes, un extremo de entrada generalmente cilindrico (50), y un extremo de salida generalmente rectangular (51 ), dicho extremo de entrada (50) definiendo un primer plano, dicho extremo de salida (51) definiendo un segundo plano, dicho primer plano orientado en un ángulo a dicho segundo plano. una camisa de entrada generalmente cilindrica (41 ) teniendo un diámetro interno (53) y un diámetro externo (54), dicha camisa de entrada (41 ) fija a dicho extremo de entrada de dicho montaje de panel; un marco final posterior generalmente rectangular (42), - 14 -dicho marco (42) fijo a dicho extremo de salida de dicho montaje de panel, y, una pluralidad de agujeros de enfriamiento (60) en dicho montaje de panel (45), teniendo cada uno de dichos agujeros de enfriamiento (60) una línea central CL y separados de un agujero de enfriamiento adyacente en la dirección axial y transversal por una distancia P, extendiéndose, dichos agujeros de enfriamiento (60) desde dicha pared exterior (49) a dicha pared interior (48), cada uno de dichos agujeros de enfriamiento (60) perforados en un ángulo ß de superficie agudo relativo a dicha pared externa (49) y un ángulo transversal ?, teniendo cada uno de dichos agujeros de enfriamiento (60) un primer diámetro D1 y un segundo diámetro D2, en donde dichos diámetros están medidos perpendiculares a dicha línea central CL de dicho agujero de enfriamiento en donde dicho agujero de enfriamiento intercepta dicha pared externa (49) y dicha pared interior (48), y dicho segundo diámetro D2 es mayor que dicho primer diámetro D1 de aquí que dicho agujero de enfriamiento tenga generalmente una forma cónica. 2. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho ángulo de superficie agudo ß está entre 15 y 30 grados desde dicha pared externa (49). 3. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho ángulo transversal ? está entre 30 y 45 grados. 4. El ducto de transición (40) según la reivindicación - 15 - 1 , caracterizado porque dicho primer diámetro D1 es de por lo menos 0.0635 centímetros. 5. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho segundo diámetro D2 es de por lo menos 0.1 143 centímetros. 6. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dichos agujeros de enfriamiento (60) están perforados en una dirección desde dicha pared exterior (49) hacia dicha pared interior (48) y angulados en una dirección hacia dicho marco final posterior (42). 7. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque la distancia P en las direcciones, axial y transversal, entre agujeros de enfriamiento adyacentes más cercanos (60) es de por lo menos 0.508 centímetros. 8. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho montaje de panel (45), camisa de entrada (41 ), y marco final posterior (42) están manufacturados por una superaleación a base de níquel tal como Inconnel 625. 9. El ducto de transición (40) según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho grosor es de por lo menos 0.32 centímetros.
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