ES2301504T3 - Procedimiento para producir un alabe de turbina. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para producir un álabe de turbina (1) en perfil hueco, en el que un primer elemento de núcleo (10) se une, a través de varios distanciadores (14) aproximadamente cilíndricos, a un elemento de núcleo adicional y/o a un molde de fundición, en donde las cavidades (4, 6) dejadas mediante los elementos de núcleo (10) en el molde de fundición se rellenan con material de álabe, y en donde las aberturas que quedan en el álabe de turbina (1) después de la extracción de los elementos de núcleo (10) y los distanciadores (14), y que son creadas por los distanciadores (14), se cierran mediante elementos de taponado.

Description

Procedimiento para producir un álabe de turbina.

La invención se refiere a un procedimiento para producir un álabe de turbina en perfil hueco.

Las turbinas de gas se usan en muchos campos para accionar generadores o máquinas de trabajo. Con ello se utiliza el contenido energético de un carburante para generar un movimiento de rotación de un árbol de turbina. El combustible se combustiona para esto en una cámara de combustión, en donde se alimenta aire comprimido desde un compresor de aire. El medio de trabajo, generado en la cámara de combustión mediante la combustión y que está sometido a presión y temperaturas elevadas, es guiado con ello a través de una unidad de turbina postconectada a la cámara de combustión, en donde se expande produciendo trabajo. La suma anterior de impulsos necesaria para generar el movimiento de rotación del árbol de turbina, a partir del medio de trabajo, se consigue con ello a través de álabes de turbina. Para esto se han dispuesto sobre el árbol de turbina varios álabes de paleta, que se complementan para guiar el medio de circulación en la unidad de turbina mediante álabes guía unidos a la carcasa de turbina. Para un guiado adecuado del medio de circulación los álabes de turbina presentan con ello normalmente una hoja de álabe perfilada, que se extiende a lo largo de un eje de álabe.

Para conseguir un grado de eficacia especialmente favorable las turbinas de gas de este tipo están diseñadas, por motivos termodinámicos, normalmente para temperaturas de salida especialmente altas del medio de trabajo, que es arrastrado por la corriente desde la cámara de combustión y afluye a la unidad de turbina, de aproximadamente 1.200ºC a aproximadamente 1.300ºC. En el caso de estas temperaturas tan altas los componentes de la turbina de gas, en especial los álabes de turbina, están sometidos a cargas térmicas relativamente elevadas. Para garantizar una elevada fiabilidad y una larga vida útil de los componentes respectivos, incluso en estas condiciones de funcionamiento, las piezas constructivas afectadas están configuradas normalmente refrigerables.

Por ello en las turbinas de gas modernas los álabes de turbina están configurados normalmente como un llamado perfil hueco. La hoja de álabe perfilada presenta para esto en su región interior, también llamada núcleo de álabe, unas cavidades en las que puede guiarse un refrigerante. Mediante los canales de refrigerante formados de este modo se hace posible de este modo que las regiones de la respectiva hoja de álabe, sometidas a un esfuerzo térmico especial, reciban refrigerante. Una acción refrigerante especialmente favorable y con ello una seguridad de funcionamiento especialmente elevada pueden conseguirse con ello por medio de que los canales de refrigerante ocupen una región de espacio relativamente grande en el interior de la hoja de álabe respectiva, y por medio de que el refrigerante sea guiado lo más cerca posible sobre la respectiva superficie sometida al gas caliente. Para asegurar con un diseño de este tipo, por otro lado, una estabilidad mecánica y una capacidad de carga suficientes, a través del álabe de turbina respectivo puede existir circulación en varios canales, en donde en el interior del perfil de álabe están previstos varios canales de refrigerante, que pueden recibir refrigerante y están separados en cada caso entre ellos mediante paredes de separación relativamente finas.

Los álabes de turbina de este tipo se producen normalmente mediante fundición. Para esto se llena con material de álabe un molde de fundición, adaptado en su contorno al perfil de álabe deseado. Para producir los citados núcleos de álabe o canales de circulación para el refrigerante se disponen, durante la fundición en el molde de fundición, unos llamados elementos de núcleo que, una vez finalizado el proceso de fundición, se extraen del cuerpo de álabe, de tal modo que se producen las cavidades deseadas para los canales de refrigerante. Durante la producción de un álabe de turbina con varios canales de refrigerante separados entre sí mediante paredes de separación se dispone con ello un gran número de elementos de núcleo en el molde de fundición, adaptados en cada caso específicamente al molde.

El posicionamiento de los elementos de núcleo en el molde de fundición se realiza a través de apoyos de núcleo unidos al mismo, los cuales atraviesan en su mayoría por el lado superior y el inferior el álabe de turbina. Después de la fundición del álabe de turbina y la extracción de los elementos de núcleo y apoyos de núcleo permanecen aberturas de núcleo en la región superior y en la inferior del álabe de turbina, las cuales pueden cerrarse mediante medidas adecuadas. Para esto se conoce por ejemplo del documento EP 1 027 943 A1 prever una escotadura adicional en el álabe de turbina, que cruza por completo la abertura de núcleo resultante del apoyo de núcleo. Mediante la inserción de una pieza de cierre en la escotadura puede cubrirse y con ello cerrarse después la abertura situada internamente de la abertura de núcleo. La propia abertura de núcleo permanece libre.

Aparte del uso de apoyos de núcleo, para el posicionamiento de los elementos de núcleo pueden unir además unos distanciadores estos al molde de fundición, para conseguir distancias definidas entre elementos de núcleo y moldes de fundición para grosores de pared definidos del álabe de turbina. Estos distanciadores dejan, al extraer los elementos de núcleo, cavidades adicionales indeseadas que obstaculizan el desacoplamiento, previsto en realidad según la técnica de circulación, de las respectivas regiones de núcleo unas de otras y en especial de la región exterior del álabe de turbina. Por ello los distanciadores están configurados normalmente de forma que se acercan unos a otros en punta, y de este modo descartan con seguridad la formación de aberturas inaceptablemente grandes. Los distanciadores están diseñados con ello de tal modo, que durante la fundición del álabe de turbina se obtenga en el punto respectivo en lo posible una superficie o pared de separación, continua y no atravesada por completo por el respectivo distanciador. Aún así el álabe de turbina fundido presenta en los puntos de los distanciadores normalmente puntos de debilitamiento, que fomentan al menos una formación local de grietas en la región frágil. La cuota de fallos o pérdidas durante la producción de los álabes de turbina es de este modo relativamente elevada.

Por ello la invención se ha impuesto la tarea de indicar un procedimiento para producir un álabe de turbina en perfil hueco, con el que pueda conseguirse una cuota de fallos o pérdidas especialmente baja.

Esta misión es resuelta conforme a la invención por medio de que un primer elemento de núcleo se une, a través de varios distanciadores aproximadamente cilíndricos, a un elemento de núcleo adicional y/o a un molde de fundición, en donde las cavidades dejadas mediante los elementos de núcleo en el molde de fundición se rellenan con material de álabe, y en donde las aberturas que quedan en el álabe de turbina después de la extracción de los elementos de núcleo y los distanciadores, y que son creadas por los distanciadores, se cierran mediante elementos de taponado.

La invención se basa con ello en la idea de que una posible causa de fallos durante la producción de los álabes de turbina radica precisamente en aquellos puntos de debilitamiento, que se establecen como consecuencia del uso de distanciadores que se acercan unos a otros en punta durante la unión de los elementos de núcleo. Estos puntos de debilitamiento limitan por una parte la estabilidad del material de álabe en el punto frágil, pero por otra arte son difíciles o imposibles de identificar durante una prueba de material. De este modo pueden permanecer puntos de debilitamiento no detectados en el material, que posteriormente pueden conducir en total, a causa de formación de grietas en el punto frágil, a una avería del álabe de turbina.

Para hacer frente a esto con eficacia se utilizan, en lugar de distanciadores cónicos o que se acercan unos a otros en punta, de aquí en adelante distanciadores cilíndricos. Aunque estos dejan también puntos de debilitamiento en el material de los álabes de turbina fundidos, estos pueden detectarse sin más. Apartándose de la premisa de mantener los puntos de debilitamiento durante la producción de los álabes de turbina especialmente pequeños, está previsto de este modo, con aceptación de los puntos de debilitamiento comparativamente mayores, hacer que estos puedan detectarse de forma especialmente sencilla. Los puntos de debilitamiento que pueden detectarse de este modo de forma fiable pueden cerrarse a continuación, mediante la aplicación de un elemento de cierre, de forma eficaz y de un modo que no limite el funcionamiento posterior del álabe de turbina.

Los distanciadores están dimensionados con ello con preferencia en su extensión longitudinal, de tal modo que sus extremos sobresalen del perfil de álabe que se produce, de tal manera que durante la fundición del álabe de turbina se producen en cualquier caso, a causa de la estructura respectiva, orificios completamente pasantes.

Para asegurar la estanqueidad de las aberturas que dejan los distanciadores, incluso durante un funcionamiento del álabe de turbina en condiciones de funcionamiento relativamente adversas, los elementos de taponado se aplastan en un perfeccionamiento ventajoso después de su introducción en la respectiva abertura. Mediante un aplastamiento de este tipo se garantiza que el elemento de taponado respectivo se dilate a lo ancho de tal forma, que se obtiene una unión positiva de forma y en arrastre de fuerza especialmente íntima al borde de la abertura respectiva. La abertura está cerrada de este modo con una eficacia especial.

Para proteger adicionalmente el elemento de taponado en su abertura respectiva, éste se suelda ventajosamente después de su introducción en la abertura respectiva.

Como elemento de taponado puede utilizarse en cada caso un elemento en forma de pasador adecuado. Sin embargo, como elementos de taponado se utilizan ventajosamente remaches de macho o terminales de impacto.

Las ventajas conseguidas con la invención consisten en especial en que al dejar a propósito unas aberturas relativamente grandes en el cuerpo de álabe fundido primero, cualquier punto de debilitamiento provocado por los distanciadores en el cuerpo de álabe puede identificarse claramente. Mediante la introducción a continuación de los elementos de taponado se garantiza además un cierre especialmente eficaz de las aberturas respectivas, de tal modo que el álabe de turbina puede someterse a una carga especial incluso en condiciones de funcionamiento adversas. Los distanciadores pueden estar además dimensionados con un tamaño relativamente grande, de tal modo que para un posicionamiento fiable de los elementos de núcleo durante el proceso de fundición sólo es necesario un número relativamente reducido de distanciadores. De este modo se reduce también el número de aberturas o puntos de debilitamiento que se produce en total, de tal manera que se mantiene especialmente reducida la complejidad a la hora de volver a cerrar estos puntos de debilitamiento.

Con base en un dibujo se explica con más detalle un ejemplo de ejecución de la invención. Aquí muestran:

la figura 1 un álabe de turbina perfilado en sección transversal,

la figura 2 un elemento de núcleo, y

la figura 3 varios elementos de taponado en forma de ejecución en cada caso de diferente tipo.

Las piezas iguales se han dotado en ambas figuras con los mismos símbolos de referencia.

El álabe de turbina 1, que se muestra en la figura 1 en sección transversal, está previsto para usarse en una turbina de gas no representada con más detalle. El álabe de turbina 1 comprende una hoja de álabe 2 que se extiende a lo largo de un eje de álabe, también llamada perfil de álabe. La hoja de álabe 2 está perfilada, como puede verse en la figura 1, o está curvada sobre su superficie, de tal modo que se garantiza un guiado especialmente favorable del medio de trabajo que circula a través de la turbina de gas.

La turbina de gas está diseñada, por motivos termodinámicos, para una temperatura de salida de su medio de trabajo desde la cámara de combustión, de temperaturas relativamente altas de por ejemplo 1.200ºC a 1.300ºC. Para garantizar una elevada fiabilidad y una larga vida útil de los componentes respectivos, incluso en estas condiciones de funcionamiento, aparte de otros componentes también el álabe de turbina 1 está configurado de forma refrigerable. Para esto la hoja de álabe 2 comprende varias cavidades integradas 4, 6, que sirven en cada caso como canal de circulación para un refrigerante. Las cavidades 4 presentan con ello una sección transversal relativamente grande y sirven como vía de circulación principal para el refrigerante. Precisamente en el caso de unos canales de circulación para el refrigerante con una sección transversal relativamente grande, sin embargo, se necesita para la estabilización mecánica un grosor de pared relativamente grande de las partes estructurales remanentes del álabe de turbina 1. Por otra parte existe el intento de mantener la vía de circulación del refrigerante lo más cerca posible del lado superior, que recibe gas caliente, del álabe de turbina 1. Para garantizar esto incluso con una elevada estabilidad mecánica del álabe de turbina 1 están previstas, además de las primeras cavidades 4 que forman la vía de circulación principal para el refrigerante, unas segundas cavidades 6 que discurren de forma relativamente ceñida debajo de la superficie de la superficie de turbina 1. Estas segundas cavidades 6 forman canales secundarios para el refrigerante y se comunican por el lado de entrada y por el de salida con las primeras cavidades 4.

Para la producción del álabe de turbina 1 se utiliza un molde de fundición, que presenta una cavidad adaptada al contorno exterior deseado del álabe de turbina 1. Para producir las cavidades 4, 6 se posicionan en este molde de fundición, en su contorno exterior, unos llamados elementos de núcleo adaptados a la cavidad 4 ó 6 deseada. A continuación se llena el molde de fundición con material de álabe, en donde mediante los elementos de núcleo se mantienen libres de material de álabe las cavidades 4 ó 6 previstas. Después de la solidificación del material de álabe se extraen de nuevo los elementos de núcleo, de tal modo que las cavidades 4 ó 6 deseadas permanecen en el álabe de turbina 1 fundido.

En la figura 2 se muestra un elemento de núcleo 10 previsto para la producción de una de las segundas cavidades 6. El elemento de núcleo 10 comprende una placa base 12, cuya forma está adaptada al contorno deseado para la cavidad 6 respectiva. Para el posicionamiento tridimensional y la fijación del elemento de núcleo 10 durante el proceso de fundición están dispuestos además sobre la placa base 12 varios distanciadores 14.

Cada distanciador 14 está conformado con ello fundamentalmente de forma cilíndrica y configurado de tal modo en su longitud, que atraviesa por completo el perfil de álabe previsto en su región espacial. En el ejemplo de ejecución los distanciadores 14 están configurados en su longitud de tal modo, que ésta supera el grosor de las paredes de material que circundan la cavidad 6 respectiva. Con sus extremos libres los distanciadores 14 están anclados con ello en cada caso en el molde de fundición o en un elemento de núcleo adyacente, de tal modo que se obtiene una estructura fundamentalmente estable incluso durante el proceso de fundición.

Después del proceso de fundición y la solidificación del material de álabe el cuerpo de álabe así fundido presenta en aquellos puntos, en los que se encontraban los distanciadores 14, unas aberturas pasantes. Estas pueden reconocerse con ello fácilmente y pueden someterse por ello a un tratamiento ulterior. Las aberturas generadas por los distanciadores 14, que permanecen después de la extracción de los elementos de núcleo y de los distanciadores en el álabe de turbina 1, se cierran con ello mediante elementos de taponado adecuados, como se muestra para algunos tipos diferentes de elementos de taponado en la figura 3.

La figura 3 muestra a modo de varios ejemplos de ejecución alternativos, varios elementos de taponado de diferente tipo con los que pueden cerrarse las aberturas que dejan los distanciadores 14. Con ello puede estar previsto como elemento de taponado para la abertura respectiva un terminal de impacto 20 que, en su región central, comprende a modo de un garfio una pieza perfilada 22 configurada cónicamente. Alternativamente puede estar previsto un terminal de impacto 24 aplastado por un lado, que es especialmente adecuado para el caso en el que la abertura a cerrar presenta todavía sobrantes 26 que delimitan el verdadero canal de abertura. En el caso de que se presente una abertura completamente pasante puede estar previsto también, sin embargo, un pasador 28 continuo que, después de su introducción en la abertura respectiva, se ha aplastado por ambos lados. Precisamente mediante el aplastamiento se produce aquí, como consecuencia del engrosamiento que se establece en la región central del pasador 28, una acción obturadora especialmente buena.

Alternativamente puede usarse también un pasador 30 insertado en una abertura pasante, en donde la abertura respectiva presenta chaflanes en sus regiones terminales. En el caso de un aplastamiento del pasador 30 éste se deforma en sus regiones terminales, en donde su material de pasador se incorpora en los chaflanes correspondientes a las aberturas respectivas. Asimismo es también posible la utilización de un pasador 32 que, en su región terminal, está cerrado estancamente mediante la aplicación de una caperuza de soldadura 34 y a continuación una soldadura.

Claims (5)

1. Procedimiento para producir un álabe de turbina (1) en perfil hueco, en el que un primer elemento de núcleo (10) se une, a través de varios distanciadores (14) aproximadamente cilíndricos, a un elemento de núcleo adicional y/o a un molde de fundición, en donde las cavidades (4, 6) dejadas mediante los elementos de núcleo (10) en el molde de fundición se rellenan con material de álabe, y en donde las aberturas que quedan en el álabe de turbina (1) después de la extracción de los elementos de núcleo (10) y los distanciadores (14), y que son creadas por los distanciadores (14), se cierran mediante elementos de
taponado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que los elementos de taponado se aplastan después de su introducción en la respectiva abertura.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que los elementos de taponado se suelda después de su introducción en la abertura respectiva.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que como elementos de taponado se utilizan remaches de macho.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que como elementos de taponado se utilizan terminales de impacto (24).