ES2307704T3 - Turbina de gas. - Google Patents
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Abstract
Turbina de gas (1) con una cámara de combustión anular (4), cuyo espacio de combustión (24) está limitado por una pared exterior de cámara de combustión (26) anular, por un lado, y por una pared interior de cámara de combustión (28) anular dispuesta dentro de la misma, por otro lado, en donde la pared interior de cámara de combustión (28) está formada por varios elementos de pared fijados sobre una estructura soporte de la pared interior de cámara de combustión (28), y en donde la estructura soporte está formada por varios fragmentos (30) que chocan unos con otros sobre una juntura parcial horizontal, caracterizada porque los elementos de pared están unidos entre sí en la región de la juntura parcial a través de varias uniones roscadas (32), dirigidas oblicuamente respecto a la superficie de la pared interior.
Description
Turbina de gas.
La invención se refiere a una turbina de gas con
una cámara de combustión anular, cuyo espacio de combustión está
limitado por una pared exterior anular, por un lado, y por una pared
interior anular dispuesta dentro de la misma, por otro lado.
Las turbinas de gas se usan en muchos campos
para accionar generadores o máquinas de trabajo. Con ello se
aprovecha el contenido energético de un combustible para generar un
movimiento de rotación de un árbol de turbina, el combustible se
quema para esto en varios quemadores, en donde se alimenta aire
comprimido desde un compresor de aire. Mediante la combustión del
combustible se crea un medio de trabajo sometido a alta presión con
una elevada temperatura. Este medio de trabajo se guía hasta una
unidad de turbina postconectada al respectivo quemador, en donde se
expande produciendo trabajo. Con ello puede estar asociada a cada
quemador una cámara de combustión aparte, en donde el medio de
trabajo que es arrastrado por la corriente desde las cámaras de
combustión puede reunirse delante de o en la unidad de turbina. Sin
embargo, alternativamente la turbina de gas puede estar también
ejecutada en una ejecución llamada de cámara de combustión anular,
en la que muchos de los quemadores, en especial todos, desembocan
en una cámara de combustión común, normalmente anular.
Para el diseño de este tipo de turbinas de gas,
además de la potencia a alcanzar, uno de los objetivos de diseño es
normalmente un grado de eficacia especialmente elevado. Un aumento
del grado de eficacia puede conseguirse con ello, por motivos
termodinámicos, fundamentalmente mediante un aumento de la
temperatura de salida, con la que el medio de trabajo es arrastrado
por la corriente desde la cámara de combustión y afluye a la unidad
de turbina. Por ello se buscan y también se alcanzan temperaturas de
aproximadamente entre 1.200ºC y 1.500ºC para este tipo de turbinas
de gas.
A unas temperaturas tan elevadas del medio de
trabajo, sin embargo, los componentes y las piezas constructivas
expuestas a este medio están sometidos a elevadas cargas térmicas.
Para garantizar aún así, con una elevada fiabilidad, una vida útil
relativamente larga de los componentes afectados, es necesaria
normalmente una configuración con materiales especialmente
refractarios y una refrigeración de los componentes afectados, como
la cámara de combustión y las piezas móviles. Sin embargo, en
especial la cámara de combustión y las piezas móviles están
sometidas, a causa de la carga térmica y de un desgaste general a
causa de la circulación del medio de trabajo, a un mayor desgaste,
de tal modo que las turbinas de gas tienen que mantenerse con
regularidad, para que las piezas constructivas dañadas sean
sustituidas o reparadas.
La unidad de turbina que se conecta a la cámara
de combustión en la dirección de circulación del medio de trabajo
comprende normalmente un árbol de turbina, que está unido a varios
álabes de paleta rotatorios que forman filas de álabes de paleta en
forma de corona. Asimismo la unidad de turbina comprende varios
álabes guía fijos, que están también fijados en forma de corona,
formando filas de álabes guía, a la carcasa interior de la turbina.
Los álabes guía sirven con ello para impulsar el árbol de turbina
mediante transmisión pulsatoria del medio de trabajo que circula a
través de la unidad de turbina, mientras que los álabes guía sirven
para guiar la corriente del medio de trabajo entre en cada caso dos
filas de álabes de paleta o coronas de álabes de paleta,
consecutivas según se mira en la dirección de circulación del medio
de trabajo.
Debido a que el movimiento rotatorio del árbol
de turbina normalmente se aprovecha para accionar el compresor de
aire preconectado a la cámara de combustión, éste está prolongado
más allá de la unidad de turbina, de tal modo que en la región de
las cámaras de combustión anulares preconectadas a la turbina el
árbol de turbina está circundado de forma toroidal por el espacio
de combustión anular.
La cámara de combustión está limitada con ello
por una pared exterior anular, por un lado, y por una pared
interior anular dispuesta dentro la misma, por otro lado. La pared
interior de la cámara de combustión se compone para esto
normalmente de dos o varias partes aisladas, que están roscadas
entre sí en su lado vuelto hacia el árbol de turbina. Se conoce una
cámara de combustión de este tipo del documento
DE-A-19809568.
Esta estructura de la cámara de combustión
anular presenta sin embargo algunos inconvenientes, ya que la pared
interior de la cámara de combustión no es accesible para trabajos de
mantenimiento. De este modo es necesario desmontar para trabajos de
mantenimiento sobre la pared interior las partes superiores de los
soportes de compresor y álabes de turbina, para que el árbol de
turbina pueda desmontarse el árbol de turbina con la pared interior
de la cámara de combustión, para de este modo hacer posible el
acceso a la citada pared interior. Los trabajos de montaje consumen
por ello mucho trabajo y tiempo. Mediante el fallo de funcionamiento
relativamente largo de la turbina de gas se producen,
adicionalmente a los costes de montaje de la turbina de gas, costes
de fallo de funcionamiento, que conducen a costes totales
relativamente muy elevados de trabajos de mantenimiento y
reparación de la turbina de gas.
Por ello la invención se ha impuesto la tarea de
indicar una turbina de gas de la clase citada anteriormente, en la
que la pared interior de la cámara de combustión pueda desmontarse
de forma relativamente rápida y sencilla.
Esa tarea es resuelta conforme a la invención
por medio de que la pared interior de la cámara de combustión está
formada por varios elementos de pared fijados sobre la estructura
soporte de la pared interior, en donde la estructura soporte está
formada por fragmentos que chocan entre sí sobre una juntura parcial
horizontal, las cuales están unidas entre sí en la región de la
juntura parcial a través de varias uniones roscadas, dirigidas
oblicuamente respecto a la superficie de la pared interior.
Los elementos de pared forman con ello en
especial la superficie de la cámara de combustión que recibe el gas
caliente, en donde los elementos de pared están fijados
convenientemente sobre la verdadera estructura soporte de la pared
interior. Esta estructura soporte comprende en especial también una
mitad superior y otra inferior, que están unidas entre sí a través
de las uniones roscadas dirigidas oblicuamente respecto al plano de
la juntura parcial.
La invención se basa con ello en la idea de que
la fijación de los diferentes elementos de pared de la pared
interior de cámara de combustión, unos con otros, debería ser
accesible desde la cámara de combustión y la pared interior de
cámara de combustión también debe desmontarse con ello desde la
misma. Al mismo tiempo los diferentes fragmentos de la estructura
soporte asociada a la pared interior de cámara de combustión, que
chocan unos con otros en su juntura parcial horizontal, deberían
unirse entre sí mediante una fijación que une entre sí las mismas
mediante una fuerza vertical en la juntura parcial. Estas dos
funciones se cumplen mediante las uniones roscadas dirigidas
oblicuamente con respecto a la superficie de pared interior que,
aparte de la accesibilidad desde la cámara de combustión, presenta
una componente de fuerza vertical suficientemente grande para unir
las dos mitades de estructura soporte.
Para compensar la componente de fuerza
horizontal que se produce a causa de la unión roscada dirigida
oblicuamente respecto a la superficie interior de pared de dos
fragmentos de la estructura soporte, unidos entre sí mediante la
unión roscada, está asociada una chaveta convenientemente a cada
unión roscada. La chaveta evita que los elementos de pared
atornillados unos a otros se desplacen mutuamente sobre la juntura
parcial, a causa de la componente de fuerza horizontal de la unión
roscada. La chaveta discurre para ello ventajosamente a lo largo de
la juntura parcial horizontal y está encajada con ajuste preciso, en
cada caso, en ranuras de los elementos de pared que chocan entre
sí, de tal modo que estos no pueden desplazarse unos respecto a
otros, y de forma preferida sobre la juntura parcial horizontal
sólo incide la componente de fuerza vertical necesaria para la
fijación de la unión
roscada.
roscada.
Para mantener accesibles el espacio interior de
cámara de combustión y con ello las uniones roscadas de la pared
interior de cámara de combustión, la pared exterior de la cámara de
combustión anular está ejecutada ventajosamente en dos partes y
está formada por una parte inferior que coopera con una parte
superior. Con esta clase de estructura de la pared exterior de
cámara de combustión es accesible el espacio interior de cámara de
combustión y de este modo también los enroscados de los elementos de
pared interior de cámara de combustión.
Para proteger la pared de cámara de combustión
contra cargas térmicas del medio de trabajo, la pared interior y la
exterior de la cámara de combustión están dotadas convenientemente
de un revestimiento formado por varios elementos de escudo térmico.
Estos están dotados con preferencia de capas protectoras
especialmente refractarias.
Los elementos de escudo térmico están fijados
ventajosamente a la pared interior y a la pared exterior de la
cámara de combustión, a través de un sistema con ranura y muelle.
Con ello están conformados elementos de escudo térmico sobre sus
bordes con preferencia de tal modo, que mediante un flexionado doble
hacia la cámara de combustión configuran un anclaje que permite
anclarlos y con ello fijarlos en una escotadura de la pared de
cámara de combustión, que forma la ranura. La escotadura en la pared
de cámara de combustión está centralizada convenientemente en la
pared de cámara de combustión para elementos de escudo térmico
adyacentes, de tal manera que los elementos de escudo térmico
adyacentes chocan unos con otros en su lado frontal, que se produce
mediante la flexión, y de este modo representan una obturación para
la cámara de combustión y el medio de trabajo que circula dentro de
la misma.
Las ventajas obtenidas con la invención
consisten en especial en que mediante el enroscado de juntura
parcial de las paredes de cámara de combustión es posible un
montaje relativamente sencillo y rápido de las paredes de cámara de
combustión. En especial la posibilidad de extraer la pared interior
de la cámara de combustión hace posible un mantenimiento más rápido
y mejor de estas partes de cámara de combustión. Una extracción que
consuma mucho tiempo de los álabes de paleta y guía, situados en el
recorrido ulterior de la unidad de turbina, puede eliminarse por
tanto mediante el acceso hecho posible del espacio interior de
cámara de combustión, de tal modo que los trabajos de mantenimiento
pueden llevarse acabo de forma relativamente sencilla y con ahorro
de
tiempo.
tiempo.
Un ejemplo de ejecución se explica con más
detalle con base en un dibujo. Aquí muestran:
la figura 1 un semi-corte a
través de una turbina de gas,
la fig. 2 un corte a través de una cámara de
combustión anular,
la figura 3 una vista lateral de la cámara de
combustión anular,
la figura 4, en corte, una unión roscada de los
elementos de pared de la pared interior de cámara de combustión,
y
la figura 5, en corte, un corte de la pared
interior de cámara de combustión.
Las piezas iguales están dotadas en todas las
figuras de los mismos símbolos de referencia.
La turbina de gas 1 conforme a la figura 1
presenta un compresor 2 para aire de combustión, una cámara de
combustión 4 así como una turbina 6 para accionar el compresor 2 y
un generador no representado o una máquina de trabajo. Para esto la
turbina 6 y el compresor 2 están dispuestos sobre un árbol de
turbina 8 común, también llamado rotor de turbina, al que está
unido también el generador o la máquina de trabajo, y que está
montado de forma giratoria alrededor de su eje central 9. La cámara
de combustión 4 ejecutada a modo de una cámara de combustión anular
está equipada con varios quemadores 10 para quemar un combustible
líquido o gaseoso.
La turbina 6 presenta varios álabes de paleta 12
rotatorios, unidos al árbol de turbina 8. Los álabes de paleta 12
están dispuestos en forma de corona sobre el árbol de turbina y
forman de este modo varias filas de álabes de paleta. Asimismo la
turbina 6 comprende varios álabes guía 14 fijos, que también están
fijados en forma de corona a una carcasa interior 16 de la turbina
6, formando filas de álabes guía. Los álabes de paleta 12 sirven
con ello para accionar el árbol de turbina 8 mediante la entrega
pulsatoria del medio de trabajo M que circula a través de la
turbina 6. Los álabes guía 14 sirven por el contrario para guiar la
corriente del medio de trabajo M entre en cada caso dos filas de
álabes de paleta o coronas de álabes de paleta, consecutivas según
se mira en la dirección de circulación del medio de trabajo M. Una
pareja consecutiva formada por una corona de álabes guía 14 o una
fila de álabes guía y por una corona de álabes de paleta 12 o una
fila de álabes de paleta se designa con ello también como etapa de
turbina.
Cada álabe guía 14 presenta una plataforma 18
llamada también pata de álabe, que está dispuesta como elemento de
pared sobre la carcasa interior 16 de la turbina 6 para fijar el
álabe guía 14 respectivo. La plataforma 18 es con ello una pieza
constructiva relativamente muy cargada térmicamente, que forma la
delimitación exterior de un canal de gas caliente para el medio de
trabajo M que circula a través de la turbina 6. Cada álabe de
paleta 12 está fijado de forma análoga al árbol de turbina 8, a
través de una plataforma 20 designada también como pata de
álabe.
Entre las plataformas 18 dispuestas distanciadas
entre sí, de los álabes guía 14 de dos filas de álabes guía
adyacentes, está dispuesto en cada caso un anillo de guiado 21 sobre
la carcasa interior 16 de la turbina 6. La superficie exterior de
cada anillo de guiado 21 está sometida con ello igualmente al medio
de trabajo M caliente, que circula a través de la turbina 6, y está
distanciada en dirección radial mediante una rendija del extremo
exterior 22 del álabe de paleta 12 opuesto al mismo. Los anillos de
guiado 21 dispuestos entre filas de álabes guía adyacentes sirven
con ello en especial como elementos de cubierta, que protege la
pared interior 16 u otras piezas de instalación de carcasa contra
una carga térmica excesiva a causa del medio de trabajo caliente
que circula a través de la
turbina 6.
turbina 6.
La cámara de combustión 4 está configurada en el
ejemplo de ejecución como una llamada cámara de combustión anular,
en la que desembocan en un espacio de cámara de combustión varios
quemadores 10 dispuestos en dirección periférica alrededor del
árbol de turbina 8. Para esto la cámara de combustión 4 está
configurada en tu totalidad como estructura anular, que está
posicionada alrededor del árbol de
turbina 8.
turbina 8.
Para aclarar todavía más la ejecución de la
cámara de combustión 4 se ha representado en la figura 2 la cámara
de combustión 4 en corte, que se prolonga de forma toroidal
alrededor del árbol de turbina 8. Como puede reconocerse en la
representación, la cámara de combustión 4 presenta un segmento de
corriente inicial o de afluencia, en el que desemboca por los
extremos la salida del quemador 10 asociado en cada caso. Según se
mira en la dirección de circulación del medio de trabajo M, se
estrecha a continuación la sección transversal de la cámara de
combustión 4, en donde se tiene en cuenta el perfil de corriente que
se ajusta del medio de trabajo M en esta región de espacio. Por el
lado de salida la cámara de combustión 4 presenta en corte
longitudinal una curvatura, mediante la cual se favorece el
arrastre por corriente del medio de trabajo M desde la cámara de
combustión 4 para una transmisión de impulsos y energía
especialmente eleva a una primera fila de álabes de paleta
siguiente, según se mira en el lado de circulación.
Como puede reconocerse en la representación
según la figura 3, el espacio de combustión 24 de la cámara de
combustión 4 está limitado por un lado por la pared exterior de
cámara de combustión anular 26 y, por otro lado, por una pared
interior de cámara de combustión anular 28 dispuesta dentro de la
misma. La cámara de combustión 4 está diseñada para poder extraer
de forma especialmente sencilla la pared interior de cámara de
combustión 28, por ejemplo para trabajos de mantenimiento, sin tener
que desmontar el árbol de turbina 8 y la parte superior de los
álabes guía 14 de la turbina 6 que se conectan directamente a la
cámara de combustión 4. Para esto la pared interior de cámara de
combustión 28 se compone de varios elementos de pared, que están
fijados sobre dos fragmentos 30 de una estructura soporte, en donde
las fragmentos 30 están ensambladas entre sí para formar la pared
interior de cámara de combustión 28, formando una juntura parcial 31
que discurre fundamentalmente en horizontal.
La cámara de combustión 4 está diseñada en
especial para poder desmontar los elementos de pared y los
fragmentos 30 de la pared interior de cámara de combustión, que
soportan los mismos, desde el espacio de combustión 24. Para esto,
como se ha representado en la figura 4 en corte, los fragmentos 30
están unidos, sobre la juntura parcial 31 horizontal formada por
ellos, a uniones roscadas 32 que discurren oblicuamente respecto a
la superficie interior de la pared interior de cámara de combustión
28. Cada unión roscada 32 comprende con ello un tornillo 33 guiado
fundamentalmente de forma oblicua respecto a la superficie formada
por la pared interior de cámara de combustión 28, el cual coopera
con una rosca practicada en uno de los elementos de pared 30.
Para que los fragmentos 30 no se desplacen
mutuamente a causa de las componente de fuerza horizontal que se
produce como consecuencia de los tornillos 33 que discurren
oblicuamente respecto a la pared interior de cámara de combustión
28, a la unión roscada 32 está asociada una chaveta 35. Esta
discurre en una posición próxima a la respectiva unión roscada 32,
a lo largo de la juntura parcial horizontal 31 de los fragmentos 30
y está encajada en ranuras de los fragmentos 30 de la pared
interior de cámara de combustión 28.
Para facilitar el acceso al espacio de
combustión 24 de la cámara de combustión 4, la pared exterior de
cámara de combustión 26 de compone de una parte superior 36 y una
parte inferior 38, como puede verse en la figura 3. La parte
superior 36 y la parte inferior 38 están dotadas, al contrario que
la unión de los fragmentos 30 de la estructura soporte que forma la
pared interior de cámara de combustión 28, de uniones roscadas
dirigidas perpendicularmente al plano de juntura parcial, ya que
aquí no existe ningún problema con relación a la accesibilidad.
Para obtener un grado de eficacia relativamente
alto, la cámara de combustión 4 está diseñada para una temperatura
relativamente alta del medio de trabajo M de aproximadamente entre
1.200ºC y 1.300ºC. Para hacer posible una duración de
funcionamiento relativamente larga incluso con estos parámetros de
funcionamiento, desfavorables para los materiales, la pared
exterior de cámara de combustión 26 y la pared interior de cámara de
combustión 28 están dotadas, como se ha representado en la figura
5, en cada caso en su lado vuelto hacia el medio de trabajo M de un
revestimiento formado por elementos de escudo térmico 40. Cada
elemento de escudo térmico 40 está equipado, en el lado vuelto
hacia el medio de trabajo M, con una capa protectora especialmente
refractaria.
Como se ha representado en la figura 5 a modo de
ejemplo para la pared interior de cámara de combustión 28, los
elementos de escudo protector 40 están fijados a la pared interior
de cámara de combustión 28 a través de un sistema con ranura y
muelle. Para esto se han conformado elementos de escudo protector 40
sobre sus bordes, de tal modo que configuran mediante una doble
flexión hacia la cámara de combustión un anclaje, que permite
anclarlos y con ello fijarlos en una escotadura de la pared interior
de cámara de combustión 28, que forma la ranura. Como puede verse
igualmente en la figura 5, los elementos de escudo térmico 40
adyacentes están fijados de tal modo a ranuras centralizadas, que
hacen contacto mutuo y de este modo obturan el espacio de
combustión 24 de la cámara de combustión 4.
Claims (5)
1. Turbina de gas (1) con una cámara de
combustión anular (4), cuyo espacio de combustión (24) está limitado
por una pared exterior de cámara de combustión (26) anular, por un
lado, y por una pared interior de cámara de combustión (28) anular
dispuesta dentro de la misma, por otro lado, en donde la pared
interior de cámara de combustión (28) está formada por varios
elementos de pared fijados sobre una estructura soporte de la pared
interior de cámara de combustión (28), y en donde la estructura
soporte está formada por varios fragmentos (30) que chocan unos con
otros sobre una juntura parcial horizontal, caracterizada
porque los elementos de pared están unidos entre sí en la región de
la juntura parcial a través de varias uniones roscadas (32),
dirigidas oblicuamente respecto a la superficie de la pared
interior.
2. Turbina de gas (1) según la reivindicación 1,
en la que a la o a cada unión roscada (32) está asociada una
chaveta (34).
3. Turbina de gas (1) según la reivindicación 1
ó 2, en la que la pared exterior de cámara de combustión (26) de la
cámara de combustión anular (4) está ejecutada en dos partes y está
formada por una parte inferior (38) que coopera con una parte
superior (36).
4. Turbina de gas (1) según una de las
reivindicaciones 1 a 3, en la que la pared interior de cámara de
combustión (28) y/o la pared exterior de cámara de combustión (26)
están dotadas de un revestimiento formado por varios elementos de
escudo térmico (40).
5. Turbina de gas (1) según la reivindicación 4,
en la que los elementos de escudo térmico (40) están fijados, a
través de un sistema de ranura/muelle, a la pared interior de cámara
de combustión (28) o a la pared exterior de cámara de combustión
(26).
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| EP02027495A EP1429077B1 (de) | 2002-12-10 | 2002-12-10 | Gasturbine |
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2003
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