ES2285440T3 - Sistema de capas refrigerable. - Google Patents
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Abstract
Sistema de capas (1) refrigerable, compuesto al menos de un sustrato (4) y al menos de un recubrimiento (7) sobre el sustrato (4), en donde se utilizan canales de refrigeración (10) para refrigerar, en donde los canales de refrigeración (10) limitan al menos parcialmente con el recubrimiento (7), caracterizado porque se cruzan al menos dos canales de refrigeración (10), en donde los canales de refrigeración (10'', 10", 10''", 10"", 10''"") están dispuestos en grupos cruzándose entre ellos, de tal modo que mediante los canales de refrigeración (10'', 10", 10''", 10"", 10''"") que se cruzan se aprisiona la superficie a refrigerar.
Description
Sistema de capas refrigerable.
La invención se refiere a un sistema de capas
refrigerable conforme al preámbulo de la reivindicación 1.
Del documento US-PS 5,080,557 se
conoce un sistema de capas, en el que por debajo de una pared está
dispuesta una estructura porosa, a través de la cual circula un
refrigerante. Esta estructura de capas es relativamente gruesa y se
refrigera mal.
Los documentos US-PS 5,820,337,
US-PS 5,640,767 y US-PS 5,392,515
muestran álabes de turbina formados por un sustrato, en los que por
debajo de una pared exterior, que presenta el mismo material que el
sustrato, están dispuestos canales de refrigeración. La
refrigeración del recubrimiento más exterior sobre la pared
exterior es en muchos casos insuficiente.
El documento EP 1 007 271 B1 muestra un álabe de
turbina refrigerado por rebotamiento, que evidentemente no presenta
ningún canal de refrigeración por debajo de la pared exterior. Los
resaltes sirven apara apoyar la pared exterior y no forman ningún
canal de refrigeración.
El documento US 2002/0141872 A1 hace patente un
sistema de capas refrigerable conforme al preámbulo de la
reivindicación 1.
Por ello la tarea de la invención es mejorar la
refrigeración de un sistema de capas.
La tarea es resuelta mediante un sistema de
capas refrigerable conforme a la reivindicación 1.
En las reivindicaciones subordinadas se han
relacionado otras medidas ventajosas para mejorar el sistema de
capas refrigerado.
Las medidas relacionadas en las reivindicaciones
subordinadas pueden combinarse entre sí de forma ventajosa.
A continuación se explican ejemplos de ejecución
de la invención.
Aquí muestran
la figura 1 un primer ejemplo de ejecución del
sistema de capas refrigerable,
la figura 2 un ejemplo de ejecución adicional de
un sistema de capas refrigerable, y
las figuras 3, 4, 6 modificaciones adicionales
del sistema de capas refrigerable, y
la figura 5 un canal de refrigeración
especialmente configurado.
La figura 1 muestra un sistema de capas 1
refrigerable. El sistema de capas 1 presenta un sustrato 4. El
sustrato 4 es por ejemplo una cerámica o un metal, en especial una
super-aleación (con base de níquel o cobalto) para
piezas constructivas de turbinas de gas (álabes de turbina,
revestimiento de cámara de combustión,..). Sobre el sustrato 4 está
aplicado al menos un recubrimiento 7. El recubrimiento 7 puede ser
un recubrimiento metálico de MCrAIY, como el que se utiliza en el
caso de álabes de turbina de gas (M = Cr o Fe o Ni; Y = itrio o
tierra rara). Aparte de esto sobre el recubrimiento 7 también puede
estar aplicado un recubrimiento cerámico, por ejemplo una capa de
protección calorífuga 9 (figura 6).
Partiendo de la superficie 22 del sustrato 4 se
ha configurado aquí al menos un canal de refrigeración 10, por
ejemplo dentro del recubrimiento 7, es decir, que el canal de
refrigeración 10 se produce mediante la extracción de material del
recubrimiento 7 o mediante la aplicación del recubrimiento 7
rebajando con escotaduras una cavidad correspondiente. De este modo
la mayor parte de la superficie periférica del canal de
refrigeración 10 está formada por el recubrimiento 7. La superficie
22 queda casi siempre sin mecanizar.
Una alimentación de un refrigerante se realiza a
través de un conducto de alimentación de refrigerante 13, que está
configurado al menos en el sustrato 4 y conduce al menos a un canal
de refrigeración 10.
Los canales de refrigeración 10 están dispuestos
de este modo muy cerca de una superficie exterior, que puede entrar
en contacto con un gas caliente 8. De este modo puede refrigerarse
mejor el recubrimiento 7, que está expuesto a mayores temperaturas
que el sustrato 4.
La figura 2 muestra otro ejemplo de ejecución de
un sistema de capas 1 refrigerable.
Aquí los canales de refrigeración 10 no están
dispuestos mediante canales dentro del recubrimiento 7, sino por
ejemplo mediante depresiones 23 en el sustrato 4.
El recubrimiento 7 forma una parte de la
superficie interior del canal de refrigeración 10 y obtura el mismo
con relación al exterior.
Es igualmente posible que los canales de
refrigeración 10 estén dispuestos tanto en el sustrato 4 como en el
recubrimiento 7.
La figura 6 muestra canales de refrigeración 10
entre dos recubrimientos 7, 9.
El canal de refrigeración 10 puede estar
configurado mediante una depresión 23 (indicada a trazos) en el
recubrimiento 7.
Los canales de refrigeración 10 conforme a las
figuras 1, 6 se producen por ejemplo de la forma siguiente.
Sobre la superficie 22 del sustrato 4 o de la
superficie del recubrimiento 7 se tienden bandas con un material de
llenado, cuyas secciones transversales se corresponden con las de
los canales de refrigeración 10 a producir.
El sustrato 4 o el recubrimiento 7 se recubre
después con el recubrimiento 7 o el recubrimiento 9 (inyección de
plasma, Physical Vapour Deposition (PVP), Chemical Vapour Deposition
(CDV),...).
A continuación se extraen las bandas con el
material de llenado. El material para las bandas se compone por
ejemplo de grafito, que después del recubrimiento con el
recubrimiento 7, 9 puede requemarse o extraerse.
Para la producción de los canales de
refrigeración 10 conforme a la figura 2 se practican en la
superficie 22 del sustrato depresiones 23 correspondientes. Las
depresiones 23 se rellenan por ejemplo con un material de llenado,
que impide que el material del recubrimiento 7 entre en los canales
de refrigeración 10 durante el recubrimiento del sustrato 4.
Después de la aplicación del recubrimiento 7 o
de la aplicación de una pared exterior se extrae de nuevo el
material de llenado, de tal modo que se obtienen los canales de
refrigeración 10.
La figura 3 muestra la disposición de canales de
refrigeración 10 conforme a las figuras 1, 2 y 6 sobre una
superficie de una pieza constructiva 1 (sistema de capas).
El sistema de capas 1 es por ejemplo un álabe de
turbina, que se extiende a lo largo de una dirección radial 16. Al
menos un canal de refrigeración 10 se extiende en una dirección
axial 19, perpendicularmente (90º) a la dirección radial 16.
Los canales de refrigeración 10 pueden discurrir
también con un ángulo diferente a 90º respecto al eje radial 16
(figura 4), por ejemplo aproximadamente en paralelo a la dirección
radial 16 (0º).
También pueden extenderse todos los canales de
refrigeración (10) en una dirección.
También pueden discurrir grupos de canales de
refrigeración mutuamente en paralelo.
La figura 4 presenta otra posibilidad de
disposición de canales de refrigeración 10 conforme a las figuras
1, 2 y 6, sobre una superficie 22 o un recubrimiento 7 de una pieza
constructiva 1.
Al menos dos canales de refrigeración 10 se
cruzan y están unidos entre sí, es decir, un refrigerante puede
circular desde el canal de refrigeración 10 hasta otro canal de
refrigeración 10. Por medio de esto puede prescindirse de canales
de refrigeración complicados en forma de meandro, ya que mediante el
modelo cruzado de los canales de refrigeración 10 se aprisiona al
menos parcialmente, en especial toda la superficie a refrigerar de
la pieza constructiva 1, es decir, el modelo cruzado y los cruces de
los canales de refrigeración se extienden, al menos parcialmente o
por completo, por encima o debajo de la superficie a refrigerar. En
la figura 4 se dispone por ejemplo de ocho cruces de canales de
refrigeración 10.
La superficie a refrigerar puede ser una región
parcial o toda la superficie de una hoja de álabe de un álabe de
turbina (pieza constructiva 1).
Si un canal de refrigeración 10 está atascado en
un punto, el refrigerante puede seguir circulando aún así por los
otros canales de refrigeración.
El refrigerante K afluye a través de una entrada
en los canales de refrigeración 10' y 10''. Desde el canal de
refrigeración 10'' llega el refrigerante directamente al canal de
refrigeración 10''' y 10'''', etc.
Los canales de refrigeración 10 están dispuestos
aquí por ejemplo en grupos cruzándose entre ellos, en donde los
canales de refrigeración 10 discurren dentro de un grupo mutuamente
en paralelo.
Puede pensarse en otras disposiciones de canales
de refrigeración 10 que se cruzan.
También pueden aprisionar los canales de
refrigeración 10 que se cruzan y los canales de refrigeración 10 en
forma de meandro una superficie a refrigerar, por medio de que los
canales de refrigeración en forma de meandro se conectan a los
canales de refrigeración que se cruzan.
La figura 5 muestra un canal de refrigeración 10
configurado en especial, por ejemplo partiendo de la figura 1.
Debido a que el canal de refrigeración 10 limita
al menos parcialmente con el recubrimiento 7 no representado o con
una pared exterior, el canal de refrigeración 10 del sistema de
capas 1 a producir sin recubrimientos o sin pared exterior sobre la
superficie 22 una abertura 24.
El ángulo \alpha entre la superficie 22 y la
superficie interior del canal de refrigeración 10 sobre la apertura
24, presenta un valor que difiere de 90º. Esto significa que el
canal de refrigeración 10 presenta entrantes socavados 26 con
respecto a la superficie 22.
Por medio de esto se reducen, en el caso de un
elevado gradiente térmico entre el recubrimiento caliente exterior
7, 9 o la pared y el canal de refrigeración 10, tensiones térmicas
entre los recubrimientos 7, 9 o la pared y el sustrato 4.
Un canal de refrigeración 10 de este tipo con
entrantes socavados 26 puede estar también dispuesto en el
recubrimiento 7 (figura 6).
Un canal de refrigeración 10 con entrantes
socavados 26 en el sustrato 4 se produce por ejemplo con una
fresadora o cabeza rectificadora 25, que está configurada por un
extremo en forma de esfera, semiesfera o cono.
En primer lugar se crea con una fresadora 25 u
otra taladradora cilíndrica un orificio en el sustrato 4, por medio
de que se mueve en una dirección de taladrado 29 casi
perpendicularmente a la superficie 22 del sustrato 4. Después se
produce un movimiento de vaivén de la fresadora 25 en una dirección
32 perpendicular a la dirección de taladrado 29, como se indica
mediante la flecha, con lo que se crean los entrantes socavados 26
en el sustrato 4.
Las diferentes posiciones de la fresadora 25
durante el movimiento de vaivén se han indicado a trazos.
Claims (7)
1. Sistema de capas (1) refrigerable, compuesto
al menos de un sustrato (4) y al menos de un recubrimiento (7)
sobre el sustrato (4), en donde se utilizan canales de refrigeración
(10) para refrigerar, en donde los canales de refrigeración (10)
limitan al menos parcialmente con el recubrimiento (7),
caracterizado porque se cruzan al menos dos canales de
refrigeración (10), en donde los canales de refrigeración (10',
10'', 10''', 10'''', 10''''') están dispuestos en grupos cruzándose
entre ellos, de tal modo que mediante los canales de refrigeración
(10', 10'', 10''', 10'''', 10''''') que se cruzan se aprisiona la
superficie a refrigerar.
2. Sistema de capas refrigerable según la
reivindicación 1, caracterizado porque el sistema de capas
(1) refrigerable se extiende en una dirección radial (16), y porque
al menos un canal de refrigeración (10) presenta un ángulo de 0º
con respecto a la orientación radial (16).
3. Sistema de capas refrigerable según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el sistema de
capas (1) refrigerable se extiende en una dirección radial (16), y
porque al menos un canal de refrigeración (10) presenta un ángulo
de 90º con respecto a la orientación radial (16).
4. Sistema de capas refrigerable según la
reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque el sistema de
capas (1) refrigerable se extiende en una dirección radial (16), y
porque al menos un canal de refrigeración (10) presenta un ángulo
mayor que 0º a menor que 90º con respecto a la orientación radial
(16).
5. Sistema de capas refrigerable según la
reivindicación 1, caracterizado porque al menos un canal de
refrigeración (10) está dispuesto al menos parcialmente dentro del
recubrimiento (7).
6. Sistema de capas refrigerable según una o
varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque al menos un canal de refrigeración (10) está dispuesto entre
dos recubrimientos (7, 9).
7. Sistema de capas refrigerable según la
reivindicación 1, caracterizado porque al menos un canal de
refrigeración (10) presenta al menos un entrante socavado (26).
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