ES2286054T3 - Turbina de gas con piezas de la carcasa axialmente desplazables. - Google Patents

Abstract

Turbina de gas con una corona de álabes directrices (4) y con una corona de álabes móviles (2) en un canal de gas (7) y con una carcasa (17), así como piezas directrices en forma de embudo (14/15) allí presentes, aseguradas contra rotación, mutuamente desplazables axialmente, pudiendo por lo menos una de las piezas directrices en forma de embudo (14/15) desplazarse axialmente de manera controlada por un motor, caracterizada porque las piezas directrices (14/15) se diseñan como portadoras de anillos (12/13) formando una camisa externa del canal de gas (7).

Description

Turbina de gas con piezas de la carcasa axialmente desplazables.

La presente invención hace referencia a una turbina de gas con una corona de álabes directrices y con una corona de álabes móviles en un canal de gas y con una carcasa, así como piezas directrices en forma de embudo aseguradas allí contra rotación, mutuamente desplazables axialmente, como portadoras de anillos formando una camisa externa del canal de gas.

Las turbinas de gas se someten, frecuentemente no sólo en su fase de arranque, sino también en servicio permanente, a cargas variables. Esto tiene como consecuencia un funcionamiento intermitente, particularmente también en lo que se refiere a las temperaturas adoptadas por las piezas individuales. Para la prevención de daños en la turbina, las piezas individuales se sujetan habitualmente de tal manera que puedan desarrollar libremente variaciones dimensionales condicionadas térmicamente.

Para minimizar considerablemente las pérdidas de la turbina por corrientes transversales sobre sus puntas de los álabes móviles, han de guardarse los menores resquicios posibles entre las puntas de los álabes móviles y las superficies directrices opuestas a éstas. Ya que, tanto los álabes móviles y su rotor, como también los álabes directrices y sus portadores, así como una carcasa que los une, se expanden y/o contraen diferentemente durante cada variación de carga, visto temporalmente, se ajusta un resquicio radial óptimo a lo largo de las puntas de los álabes móviles sólo para muy pocos de los estados estacionarios de operación deseados. La operación de estas turbinas de gas se lleva a cabo, por tanto, frecuentemente con una holgura no optimizada de la abertura y, por consiguiente, con una eficiencia no optimizada.

Gracias a la US-PS 4,177,004 se conoce una configuración de turbina, en la que las puntas de los álabes móviles exhiben el mismo material de una superficie directriz opuesta a ellos, de forma que para esta disposición durante el estado de operación, en el que se lleva a cabo la mayor aproximación de las puntas de los álabes móviles a las superficies directrices, la distancia de las puntas de los álabes móviles casi desaparece. En cualquier otro estado de operación, también en esta conocida disposición, la distancia de las puntas de los álabes móviles es de nuevo mayor y, por tanto, menos favorable.

En otras disposiciones conocidas hasta ahora se ha logrado, mediante la selección de las combinaciones adecuadas de materiales, mantener pequeños los desplazamientos relativos condicionados térmicamente de las piezas para muchos estados de operación, aunque también allí es válido, que sólo, en cada caso, en un determinado estado estacionario impera una distancia óptima de las puntas de los álabes móviles. En todos los demás estado aparecen de nuevo condiciones menos favorables.

Aparte de esto, gracias a la US 5,203,673 se conoce una turbina de gas con un canal cónico de gas, cuya pared externa del canal esté formada parcialmente por un anillo guía, que se encuentra frente a las puntas de los álabes móviles y puede desplazarse en dirección axial para el ajuste de la holgura radial de un accionamiento. El anillo guía que abarca concéntricamente el anillo de álabes móviles se dispone en una escotadura anular de la carcasa de la turbina de gas, fijándose firmemente la estructura espacial circundante a la escotadura a piezas adyacentes de la carcasa.

Gracias a la DE 1 426 818 se conoce adicionalmente un portador multipieza de álabes directrices, que se compone de segmentos desplazables radialmente, que se inmovilizan axialmente mediante prolongaciones. Para el desplazamiento de los segmentos se prevén portadores de segmentos desplazables paralelamente a la pared en la propia pared cónica externa del espacio anular. Las superficies de deslizamiento de los portadores de segmentos y sus guías tienen en cada caso forma de diente de sierra y se diseñan curvos contra la dirección de desplazamiento. De este modo, un desplazamiento de los portadores de segmentos condiciona un desplazamiento radial de los segmentos, lo que se emplea para el ajuste de la distancia radial de todas las etapas de turbina.

La presente invención se basa ahora en el objetivo de desarrollar, a tal extremo, una instalación de turbina de gas, que en ella se dé una distancia óptima de las puntas de los álabes móviles a lo largo de un gran número de estados de operación, de forma que se asegure una condición básica para la obtención de una buena eficiencia.

Este objetivo se resuelve para una turbina de gas del tipo indicado inicialmente conforme a la invención, en la que por lo menos una de las piezas directrices en forma de embudo dirigidas por un motor, es axialmente desplazable. Sirven también adecuadamente como motor un gran número de prensas hidráulicas distribuidas sobre el perímetro de la pieza directriz. También cualquier otro tipo de accionamientos es contenido de esta invención. La ventaja particular de esta disposición estriba en la posibilidad de ajustar directamente la distancia de las puntas de los álabes móviles mediante desplazamiento axial de la pieza directriz. En caso de limitación de la ajustabilidad activa a desplazamientos axiales, se aprovecha favorablemente la conicidad dada por la configuración en forma de embudo de la pieza directriz, pues, debido a esta conicidad, cada desplazamiento axial de la misma origina también una modificación de la distancia de las puntas de los álabes móviles a considerar de manera esencialmente radial.

Otras ejecuciones apropiadas y de la disposición conforme a la invención se indican en las Reivindicaciones 3 a 12.

Un ejemplo de ejecución de la presente invención se describe más a fondo en base a un diseño. La única figura de este diseño muestra un corte longitudinal de una turbina entre una entrada y una salida de gas propulsor.

Sobre un eje de la turbina 1 no representado a fondo se acuñan coronas de álabes móviles 2 con un gran número de álabes móviles 3. Un flujo de gas 6 que circula a través de las coronas de álabes directrices 4 con un gran número de álabes directrices 5 se expande con un canal de gas 7 y acciona, además, los álabes móviles 3.

El canal de gas 7 presenta una sección transversal circular y está conectado por su extremo del lado de la presión con una cámara de gas caliente 8, desde la que el gas comprimido y caliente es conducido en la dirección de la flecha hacia una abertura de salida del gas 9. Una delimitación radialmente interna del canal de gas 7 está constituida por cubos 10 de las coronas de álabes móviles 2 acuñados sobre el eje de la turbina 1 y cubos 11 no rotatorios de las coronas de álabes directrices 4 portados por los extremos internos de los álabes directrices 5. Las juntas entre los cubos 10 y los cubos 11 se cierran con sellos laberínticos.

Una delimitación radialmente externa del canal de gas 7 presenta una forma cónica en forma de embudo, y está formada por anillos 12 y 13. Las piezas directrices 14 y 15 en forma de embudo portan los anillos 12 y 13, encontrándose los anillos 12 frente a los extremos libres de los álabes móviles 3 y sujetando los anillos 13 los extremos libres de los álabes directrices 5 y portando, por tanto globalmente, la corona de álabes directrices 4 formada por estos. Los resquicios entre los anillos 12 y 13 se cierran con anillos estancos apropiados, no representados.

Las piezas directrices 14 y 15 son de pared gruesa, muy rígidas y se alojan de manera axialmente desplazable sobre bloques 16 preferentemente rectangulares en la sección transversal. Los bloques 16 están anclados en una carcasa 17 y cada una de las piezas directrices 14 y 15 se agarran por sus dos extremos en una corona de un gran número de bloques 16, de forma que se descarte una inclinación de las piezas directrices 14 y 15, tanto como los desplazamientos radiales.

La carcasa 17 es, debido a su forma y su espesor de pared, tan rígida como las piezas directrices 14 y 15 y porta por su cara interna una nervadura rígida 18, además de los bloques 16 por pieza directriz 14 y/o 15. Esta nervadura rígida 18 se prevé, en cada caso, axialmente entre las coronas de bloques 16, asignadas a la misma pieza directriz 14 y/o 15. La nervadura rígida 18 es prácticamente no deformable, particularmente también en dirección axial.

Cada una de las piezas directrices 14 y 15 porta una nervadura de tope 19 saliente radialmente hacia fuera, de pared comparativamente delgada, que se apoya contra la cara de la correspondiente nervadura rígida 18 encarando la cámara de gas caliente 8 con un reborde 20 portado por su extremo libre. Al pie de la nervadura de tope 19 se dispone un refuerzo 21, que aunque encara asimismo la nervadura rígida 18, es más corta en dirección axial que el reborde 20.

Las piezas directrices 14 y 15 están cubiertas radialmente hacia fuera en su zona encarando la abertura de salida del gas 9 por una aleta de refuerzo 22 preferentemente trapezoidal en la sección transversal, que presenta una superficie tope 23 ajustada radialmente, opuesta a la nervadura rígida 18 asignada. Entre las nervaduras rígidas 18 y la superficie tope 23 opuesta a ellas, en cada caso, se disponen un gran número de prensas hidráulicas distribuidas uniformemente sobre el perímetro de la pieza directriz 14 ó 15 correspondiente. Los pistones 24 de estas prensas se apoyan directamente en la nervadura rígida 18 y los cilindros 25 correspondientes de las prensas se encuentran sobre la superficie tope 23 de la aleta de refuerzo 22. Un espacio anular entre la carcasa 17 y las piezas directrices 14 y 15 se subdivide en cámaras mediante tabiques intermedios 26 tipo membrana.

Todas las prensas asignadas a la misma pieza directriz 14 y/o 15 forman juntas, en cada caso, un motor lineal, que desplaza la pieza directriz 14 ó 15 sometida a él contra la carcasa 17 axialmente en la dirección de la abertura de salida del gas 9. Durante este desplazamiento, la nervadura de tope 19 se encuentra con su reborde 20 en la nervadura rígida 18 y se deforma elásticamente. Los anillos 12 portados por las piezas directrices en forma de embudo 14 y 15 se encuentran aproximados a una camisa cónica y alteran durante el desplazamiento axial la holgura de la distancia de las puntas de los álabes móviles. Para eliminar un rozamiento de un anillo 12 en las puntas de los álabes móviles 3, se limita el posible camino axial de las piezas directrices 14 y/o 15. Como tope final para este propósito, el refuerzo 21 sirve como tope en la nervadura rígida 18.

Durante el arranque de la turbina de gas, así como durante cada variación de carga, impera un estado térmicamente inestable en prácticamente todas las piezas provistas con símbolos de referencia. Además, las velocidades de variación son muy diferentes en las piezas individuales, de forma que en estas piezas aparezcan dilataciones y contracciones térmicas correspondientemente diferentes. Estas diferentes variaciones de temperatura conducen, por consiguiente, a desplazamientos de aproximación relativos de las piezas, teniendo particularmente las modificaciones de la holgura del hueco entre los anillos 12 y las puntas de los álabes móviles 3 opuestas a éstas una influencia no insignificante sobre la eficiencia de la turbina.

La disposición conforme a la invención posibilita ahora un ajuste activo, intencionado y directo de la holgura de este resquicio. Para este propósito, esta holgura se mide con sensores no representados. En caso de reducción deseada de la holgura del hueco, la pieza directriz 14 y/o 15 en cuestión es desplazada entonces en la dirección de la abertura de salida del gas 9 por el motor representado por las prensas. Además, la nervadura de tope 19 se arriostra elásticamente, de forma que empuje hacia atrás la pieza directriz 14 o 15 que la porta en dirección a la cámara de gas caliente 8, en un desplazamiento necesario en la dirección contraria. Para el cumplimiento de este objetivo, las prensas asignadas en cada caso a la misma pieza directriz 14 o 15 alcanzan juntas una fuerza axial, que corresponde a aproximadamente 10 veces a una fuerza axial inducida por la operación del flujo de gas 6 ejercida sobre la pieza directriz 14 ó 15 en cuestión. Además, ambas fuerzas axiales actúan en dirección a la abertura de salida del gas 9 y se suman.

La energía de deformación recibida por la nervadura de tope 19 durante su deformación se almacena durante el ajuste de una pieza directriz 14 ó 15 en la dirección de la abertura de salida del gas 9 y sirve para la producción de una fuerza de retroceso en un desplazamiento opuesto. Esta fuerza de retroceso es mayor, en cada posición de la pieza directriz asociada 14 ó 15, que la fuerza axial inducida por la operación del flujo de gas 6 ejercida sobre ésta. La fuerza de retroceso es aproximadamente de 2 a 3 veces mayor que la fuerza axial inducida por la operación. De este modo, cada una de las piezas directrices 14 y 15 se instala sin holgura en cada posición en la nervadura rígida 18.

Claims (12)

1. Turbina de gas con una corona de álabes directrices (4) y con una corona de álabes móviles (2) en un canal de gas (7) y con una carcasa (17), así como piezas directrices en forma de embudo (14/15) allí presentes, aseguradas contra rotación, mutuamente desplazables axialmente, pudiendo por lo menos una de las piezas directrices en forma de embudo (14/15) desplazarse axialmente de manera controlada por un motor, caracterizada porque las piezas directrices (14/15) se diseñan como portadoras de anillos (12/13) formando una camisa externa del canal de gas (7).

2. Turbina de gas acorde a la Reivindicación 1 caracterizada porque varias prensas hidráulicas o neumáticas distribuidas sobre el perímetro de la pieza directriz (14/15) sirven como motor.

3. Turbina de gas acorde a la Reivindicación 1 ó 2 caracterizada porque los pistones (24) de las prensas se apoyan con su extremo libre en una nervadura (18) rígida fija a la carcasa.

4. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque los cilindros (25) que se deslizan sobre los pistones (24) de las prensas son portados por la pieza directriz (14/15).

5. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque la pieza directriz (14/15) porta por lo menos una corona de álabes directrices (4), además de los anillos (12/13) delimitantes del canal de gas (7).

6. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 5 caracterizada porque una nervadura de tope (19) en forma de brida, saliente radialmente hacia fuera de la pieza directriz (14/15), se apoya con su extremo libre en la nervadura (18) rígida fija a la carcasa y puede deformarse elásticamente mediante las prensas.

7. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 6 caracterizada porque una fuerza que puede generarse conjuntamente por las prensas alimentadas por la misma pieza directriz (14/15) es mayor, por lo menos del orden del factor 10, que una fuerza axial que actúe inducida por la operación sobre la nervadura de tope (19).

8. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 7 caracterizada porque una fuerza de retroceso de la nervadura de tope (19) elásticamente deformada es mayor que la fuerza axial inducida por la operación que actúa sobre la nervadura de tope (19).

9. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 8 caracterizada porque la fuerza de retroceso agranda una distancia de las puntas de los álabes móviles mediante el desplazamiento de la pieza directriz en forma de embudo (14/15).

10. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 9 caracterizada porque la nervadura de tope (19) elásticamente deformable, en forma de brida, presenta en su raíz un tope final (refuerzo 21), que limita la deformación elástica.

11. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 10 caracterizada porque la pieza directriz (14/15) se asegura contra inclinación tanto axialmente por delante de, como también axialmente por detrás de la nervadura de tope (19) y de la nervadura fija a la carcasa (18) mediante varias guías axiales (bloque 16) distribuidas a lo largo del perímetro de la pieza directriz (14).

12. Turbina de gas según al menos una de las Reivindicaciones 1 a 11 caracterizada porque las guías axiales (bloque 16) son portadas por la carcasa (17).