ES2333242T3 - Alabe para una turbina de gas, empleo de un alabe, asi como procedimiento para la refrigeracion de un alabe. - Google Patents

Abstract

Álabe (15) para una turbina de gas (1), con una pared de álabe del lado de succión (26) y una pared de álabe del lado de presión (24) que termina en la primera en la zona de borde posterior (21), comprendiendo la pared de álabe del lado de succión (26) una paleta de borde posterior (28) que sobresale por encima del borde terminal (27) de la pared de álabe del lado de presión (24) al menos en una sección parcial de la zona de borde posterior (21), caracterizado porque el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28) presenta un número de concavidades en forma de artesa (32), y presentando las concavidades (32) en cada caso un borde limitante (34) que circula exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28).

Description

Álabe para una turbina de gas, empleo de un álabe, así como procedimiento para la refrigeración de un álabe.

La invención se refiere a un álabe para una turbina de gas. Esta se refiere además a una turbina de gas con tal álabe, y a un procedimiento para la refrigeración de un álabe.

En muchos sectores se emplean turbinas de gas para el accionamiento de generadores, o de máquinas de trabajo. En este caso se utiliza el contenido en energía de un combustible para la generación de un movimiento de rotación de un eje de turbina. A tal efecto se quema el combustible en un número de quemadores, alimentándose aire comprimido desde un compresor de aire. Mediante la combustión de combustible se genera un medio de trabajo que está bajo presión elevada con una temperatura elevada. Este medio de trabajo se conduce a una unidad de turbina post-conectada, donde se descomprime eficientemente.

La unidad de turbina de una turbina de gas presenta un número de álabes de rodete giratorios, unidos al eje de turbina, para la transferencia de impulsos del medio de trabajo al eje de turbina. A tal efecto, los álabes de rodete están dispuestos en forma de corona en el eje de turbina, y por consiguiente forman un número de coronas de álabes de rodete o series de álabes de rodete. La turbina y el compresor están dispuestos en un eje de turbina común, también denominado rotor de turbina, al que está unido también el generador, o bien la máquina de trabajo, y que es giratorio alrededor de su eje central.

Además, la unidad de turbina comprende habitualmente un número de aletas guía estacionarias, que están fijadas igualmente en forma de corona, bajo la formación de coronas de aletas guía o series de aletas guía, a una carcasa interna, o bien al estator de la turbina. En este caso, los álabes de rodete sirven para el accionamiento del eje de turbina mediante transferencia de impulsos del medio de trabajo que pasa por la turbina. Por el contrario, las aletas guía sirven para el control de circulación del medio de trabajo respectivamente entre dos series de álabes de rodete o coronas de álabes de rodete sucesivos en el sentido de circulación del medio de trabajo. Un par sucesivo constituido por una corona de aletas guía o una serie de aletas guía, y por una corona de álabes de rodete o una serie de álabes de rodete, también se denomina grado en este caso.

Por regla general, una aleta guía presenta también una plataforma denominada raíz de paleta, que está dispuesta como elemento mural en la carcasa interna de la turbina para la fijación de la respectiva aleta guía, y forma el límite externo de un canal de gas de calefacción para el medio de trabajo que pasa por la turbina. Para un control de circulación eficiente del medio de trabajo en el sentido de la serie de álabes de rodete que siguen a una serie de aletas guía, una aleta guía asignada a la serie de aletas guía presenta habitualmente un perfil de sección transversal abovedado, en forma de ala, de modo que en el caso de pérdidas por fricción lo más reducidas posible en la respectiva aleta guía se ajusta el control de circulación previsto, y por consiguiente la serie de aletas guía, o bien el grado asignado a la misma, posee un grado de acción lo más elevado posible. A tal efecto, el borde delantero de una aleta guía presenta una sección transversal circular, que se estrecha hacia el borde posterior de la aleta guía, terminado en punta. Un álabe de rodete presenta conformación similar, estando adaptados generalmente al fin de empleo, es decir, estando optimizados para una transferencia de impulsos especialmente eficiente del medio de trabajo al respectivo álabe de rodete, los detalles específicos, como por ejemplo el grosor de perfil máximo, el radio de curvatura en el borde delantero, etc.

En el diseño de turbinas de gas descritas anteriormente, un objetivo de diseño es habitualmente un grado de acción especialmente elevado, además del rendimiento alcanzable. En este caso, por motivos termodinámicos, en principio se puede conseguir un aumento del grado de acción mediante un aumento de la temperatura con la que el medio de trabajo afluye de la cámara de combustión hacia fuera y en la unidad de turbina. Por lo tanto se desean, y también se alcanzan temperaturas de aproximadamente 1200ºC a 1500ºC para tales turbinas de gas.

No obstante, a temperaturas tan elevadas del medio de trabajo, los componentes y elementos expuestos a este medio están expuestos a cargas térmicas elevadas. Sin embargo, para garantizar una duración relativamente larga de los respectivos afectados, con fiabilidad elevada, habitualmente es necesaria una refrigeración de los respectivos componentes, en especial de los álabes. Para impedir deformaciones térmicas del material, que limitan la duración de los componentes, por regla general se pretende conseguir una refrigeración de los componentes lo más uniforme posible. En este caso, como refrigerante se emplea habitualmente aire de ventilación, al que se transfiere el calor de los componentes a refrigerar. En este caso, el aire de ventilación se puede conducir esencialmente en sentido perpendicular a una superficie a refrigerar en la denominada refrigeración por impacto, o se puede conducir a lo largo de la superficie a refrigerar, es decir, en sentido esencialmente tangencial a la misma, en la denominada refrigeración pelicular. Además, para la refrigeración por convección de componentes de turbina pueden estar previstos canales de aire de ventilación integrados en los mismos. Finalmente, los diversos conceptos de refrigeración se pueden combinar también entre sí.

Para la refrigeración de los álabes, sometidos a carga térmica especialmente fuerte, en especial de las aletas guía, se conduce habitualmente aire refrigerante en su interior, de modo que las paredes del respectivo álabe se refrigeran desde el interior. Al menos una parte de este aire refrigerante se expulsa por soplado del interior del álabe a través de orificios de salida en el sentido de circulación del medio de trabajo hacia atrás desde el borde posterior del álabe. Para dar al borde posterior una configuración conveniente desde el punto de vista aerodinámico, o bien para posibilitar una refrigeración eficaz del borde posterior, relativamente delgado, con el aire refrigerante expulsado por soplado, bajo mantenimiento del contorno especialmente conveniente desde el punto de vista termodinámico en el lado de succión de la hoja de pala, la pared de pala del lado de presión que converge en forma de cuña con la pared de pala del lado de succión originalmente en la zona del borde posterior está recortada en tal medida que la pared de pala del lado de succión, que sobresale por encima del borde extremo de la pared de pala del lado de presión, forma una denominada paleta de borde posterior con grosor reducido. Esta configuración del borde posterior se denomina también "borde posterior Cut-Back". Tal álabe es conocido por la US-B 6 328 531. Según fabricante, también son comunes otras denominaciones, como por ejemplo "Pressure Side Bleed". La paleta de borde posterior se refrigera por medio de enfriamiento de película a través del aire refrigerante que sale de la ranura entre el borde extremo de la pared de pala del lado de presión y la paleta de borde posterior de la pared de pala del lado de succión. Se interrumpen las secciones descubiertas de la paleta de borde posterior por secciones de refuerzo o nervios, también denominados "suelo", en los que la pared de pala del lado de presión está extendida respectivamente hasta el extremo del borde posterior para la estabilización del álabe, de modo que el borde posterior se mantiene relativamente macizo en este
punto.

En este caso es problemático que, a pesar de la refrigeración descrita de la paleta de borde posterior, en esta zona se pueden presentar sobrecalentamientos debidos al diseño. En especial una formación de grietas ocasionada de este modo influye limitando la duración para el respectivo álabe. Ya que en los trabajos de mantenimiento necesarios para impedir tales daños por desgaste se deben desmontar, y a continuación componer de nuevo piezas, casi siempre grandes, de la turbina de gas, o bien de la respectiva unidad de turbina, además de los costes para la creación y la incorporación de las piezas de recambio, también se producen aún tiempos de parada relativamente largos. La erosión de álabes, en especial en la zona de su respectivo borde posterior, se puede contrarrestar ciertamente mediante el empleo acrecentado de aire refrigerante, pero esto reduce el grado de acción total de la turbina de gas.

Por lo tanto, la invención toma como base la tarea de indicar un álabe para una turbina de gas, que presenta una duración especialmente elevado, con una demanda de aire refrigerante reducida. Otra tarea es la indicación de un empleo de tal álabe. Además se debe indicar un procedimiento para la refrigeración de un álabe.

Respecto al álabe según la reivindicación 1, según la invención el problema se soluciona presentando el área de la paleta de borde posterior del lado de presión un número de concavidades en forma de artesa.

En este caso, la invención parte de la consideración de que, en la zona de la paleta de borde posterior, el medio de trabajo que circula a lo largo del lado de presión, o bien el gas de calefacción, se mezcla con el aire refrigerante que afluye del interior del álabe, de modo que precisamente la paleta de borde posterior, especialmente sensible debido a su modo de construcción delgado, está expuesta a aire refrigerante relativamente caliente, con poder refrigerante reducido de modo correspondiente. Por este motivo se puede presentar un sobrecalentamiento del extremo del borde posterior, que conduce posiblemente a agrietamientos, y con ello a una duración reducida del respectivo álabe. Además, la invención parte de la consideración de que, en interés de un grado de acción elevado de la turbina de gas, se debe prescindir de un empleo acrecentado de aire refrigerante. En su lugar, la disposición para la refrigeración de la zona de borde posterior debe presentar una configuración tal que se aproveche lo más completamente posible el potencial refrigerante del aire de refrigeración presente, remanente tras el mezclado con el medio de trabajo caliente. A tal efecto se debe aumentar la transferencia de calor del borde posterior, o bien de la paleta de borde posterior, a la mezcla de gas de calefacción/aire refrigerante que circula a lo largo del mismo.

En este caso, los elementos apropiados en la paleta de borde posterior deberán estar configurados de tal manera que se produzca por una parte una influencia sobre la circulación, o fluidización de la mezcla de gas de calefacción/aire refrigerante que circula tangencialmente a lo largo de la paleta de borde posterior, que ocasiona una transferencia de calor elevada. No obstante, por otra parte esta influencia sobre la circulación estará concebida de tal manera que no se efectúe una caída, o bien una desviación de la película refrigerante de la superficie a refrigerar. Con este fin están previstas concavidades en forma de artesa, los denominados "Dimples", que aumentan la turbulencia de la película refrigerante que circula a lo largo de la paleta de borde posterior, pero no conducen a su desviación de la superficie de borde posterior. En este caso aumenta la cantidad de calor evacuable, mientras se evita una pérdida de presión indeseable. En este caso, estas concavidades están configuradas de modo que presenten respectivamente un borde limitante de circulación exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior.

Un número de concavidades colocadas en la paleta de borde posterior presenta respectivamente un borde limitante elíptico, en especial circular. En una variante de ejecución especialmente apropiada, que ocasiona sólo un aumento de la resistencia de circulación marcadamente insignificante frente a una paleta de borde posterior lisa, tal limitación se consigue poseyendo la respectiva concavidad la configuración de un segmento esférico.

Como adaptación apropiada de las concavidades a la velocidad y a la cantidad de carga de la mezcla de medio de trabajo/aire refrigerante que circula a lo largo del borde posterior, y al tamaño del álabe, el radio asciende de modo preferente a aproximadamente 1/10 a 1/4 de la anchura de la paleta de borde posterior, en el caso de una concavidad con limitación circular. La profundidad (máxima) de un segmento esférico corresponde de modo ventajoso a aproximadamente 1/3 del correspondiente radio de esfera. Concavidades con limitación que diverge ligeramente de la forma circular, por ejemplo limitación elíptica con excentricidad reducida, preferentemente en relación a su profundidad y su extensión plana, presentan dimensionado similar a las concavidades con limitación circular, o bien con configuración en forma de segmento esférico.

Para una influencia especialmente uniforme de la mezcla de medio de trabajo/aire refrigerante circulante, las concavidades están distribuidas de modo preferente regularmente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior, ascendiendo la distancia entre las limitaciones cada dos concavidades adyacentes preferentemente a una vez hasta una vez y media el diámetro de esfera, en el caso de configuración en forma de segmento esférico.

El presente álabe, cuya paleta de borde posterior presenta concavidades en forma de artesa, se emplea según la invención en una turbina de gas, preferentemente estacionaria, para poder solucionar el problema orientado a la indicación de un empleo del álabe citado anteriormente. En el caso del álabe se puede tratar en especial de una aleta guía. De modo preferente están reunidos respectivamente un número de estas aletas guía en un número de series de aletas guía. En el caso de álabes de rodete es válida una analogía. En especial se puede reequipar una turbina de gas, provista de álabes convencionales, con los álabes mejorados respecto a la refrigeración de borde posterior para el aumento de su grado de acción.

Respecto al procedimiento según la reivindicación 8 se soluciona el problema fluidizándose localmente aire refrigerante que circula a lo largo de la paleta de borde posterior mediante concavidades dispuestas en la paleta de borde posterior.

Las ventajas conseguidas con la invención consisten especialmente en que se consigue una transferencia de calor mejorada al aire refrigerante circulante en el caso de un álabe con el denominado borde posterior Cut-Back en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior con muchas cavidades relativamente reducidas y planas ("Dimples"), de modo similar a la superficie de una pelota de golf. De este modo, en este sector especialmente crítico se puede reducir la carga térmica, y con ello evitar, o al menos retardar el deterioro del extremo del borde posterior, de modo que el extremo del borde posterior, o bien el álabe asignado presenta una duración elevada y/o se puede accionar a temperaturas más elevadas. Además, ya que a través de los Dimples no se aumenta la resistencia a la circulación frente a un álabe con paleta de borde posterior liso, y por consiguiente el chorro de aire refrigerante, o bien el medio de trabajo no sufre una pérdida de presión, manteniéndose los datos de rendimiento aerodinámicos del álabe, debido al ahorro de aire refrigerante se puede alcanzar también un grado de acción total acrecentado de la respectiva unidad de turbina. La estructura superficial se puede introducir directamente en la colada del álabe, en el caso de correspondiente configuración de molde, con gasto relativamente reducido.

Un ejemplo de ejecución de la invención se explica más detalladamente por medio de un dibujo. En éste muestran:

la Figura 1 un corte longitudinal a través de una turbina de gas,

la Figura 2 una vista lateral en sección parcial de un álabe de la turbina de gas según la Figura 1, y

la Figura 3 un corte de la sección transversal del álabe según la Figura 2.

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Partes iguales están provistas de los mismos signos de referencia en todas las figuras.

La turbina de gas 1 según la Figura 1 presenta un compresor 2 para aire de combustión, una cámara de combustión 4, así como una turbina 6 para el accionamiento del compresor 2, y un generador no representado, o una máquina de trabajo. A tal efecto, la turbina 6 y el compresor 2 están dispuestos en un eje de turbina 8 común, también denominado rotor de turbina, al que está unido también el generador, o bien la máquina de trabajo, y que está pivoteado alrededor de su eje central 9.

La cámara de combustión 4, realizada a modo de una cámara de combustión anular, está equipada con un número de quemadores 10 para la combustión de un combustible líquido o gaseoso. Además está provista de elementos de blindaje térmico, no representados más detalladamente, en su pared interna.

La turbina 6 presenta un número de álabes de rodete 12 rotativos, unidos al eje de turbina 8. Los álabes de rodete 12 están dispuestos en forma de turbina en el eje de turbina 8, y por consiguiente forman un número de series de álabes de rodete. Además, la turbina 6 comprende un número de aletas guía estacionarias 14, que están fijadas igualmente en forma de corona a una carcasa interna 16 de la turbina 6, bajo la formación de series de aletas guía. En este caso, los álabes de rodete 12 sirven para el accionamiento del eje de turbina 8 mediante transmisión de impulsos del medio de trabajo M que circula por la turbina 6. Por el contrario, las aletas guía 14 sirven para el control de circulación del medio de trabajo M respectivamente entre dos series de álabes de rodete o coronas de álabes de rodete sucesivas, visto en sentido de circulación del medio de trabajo M. Un par sucesivo constituido por una corona de aletas guía 14, o una serie de aletas guía, y por una corona de álabes de rodete 12, o una serie de álabes de rodete, también se denomina grado en este caso.

Cada aleta guía 14 presenta una plataforma 18, también denominada raíz de paleta, que está dispuesta en la carcasa interna 16 de la turbina 6 como elemento de pared para la fijación de la respectiva aleta guía 14. En este caso, la plataforma 18 es un componente sometido a carga térmica relativamente fuerte, que forma la limitación externa de un canal de gas de calefacción para el medio de trabajo M que circula por la turbina 6. Cada álabe de rodete 12 está fijado al eje de turbina 8 de modo análogo a través de una plataforma 20 denominada también raíz de paleta.

Para la consecución de un grado de acción relativamente elevado, la turbina de gas 1 está diseñada para una temperatura de salida relativamente elevada del medio de trabajo M que sale de la cámara de combustión 4, de aproximadamente 1200ºC a 1500ºC. Para garantizar en este caso también una duración o tiempo de funcionamiento elevado de la turbina de gas 1, sus componentes esenciales, en especial los álabes 15 (es decir, las aletas guía 14 y/o los álabes de rodete 12), presentan configuración refrigerable.

Para la refrigeración de un álabe 15, en especial una aleta guía 14, se emplea aire refrigerante K, que se conduce al interior del álabe 15 para refrigerar en especial la pared externa desde su interior. Una parte de este aire refrigerante K se expulsa mediante soplado por orificios de salida del álabe 15 dispuestos del lado terminal, para refrigerar la zona de borde posterior 21, especialmente sensible al calor, con el borde posterior 22.

Por lo tanto, en las Figuras 2 y 3 se representa un álabe 15 para la explicación más detallada del sistema refrigerante de los álabes 15 en la zona del borde posterior 22, mostrando la Figura 2 una vista lateral en sección parcial del álabe 15, y la Figura 3 una sección transversal a través del perfil de álabe. Como se puede extraer de las figuras, el álabe 15 es rodeado por ambos lados por medio de trabajo M en sentido del borde posterior 22, limitándose el perfil de álabe respecto al medio de trabajo M por la pared de álabe 24 del lado de presión, y la pared de álabe 26 opuesta a presión o del lado de succión. Para un acondicionamiento apropiado de la zona de borde posterior 21 con un grado de acción aerodinámico elevado, también respecto a la refrigeración, el álabe 15 presenta un borde posterior denominado Cut-Back, en el que la pared de álabe 24 del lado de presión está desplazada por el borde posterior 22, de modo que la pared de álabe 26 del lado de succión forma una paleta de borde posterior 28 que sobresale por encima del borde terminal 27 de la pared de álabe del lado de presión 24. Estas secciones con una paleta de borde posterior 28 descubierta, expuesta al medio de trabajo M por ambos lados, son interrumpidas únicamente por los elementos de apuntalamiento 30 de acción estabilizadora, formándose la zona de borde posterior 21 en estas denominadas secciones de "tierra" junto con la pared de álabe 24 del lado de presión, prolongada hasta el borde posterior 22. No obstante, también son concebibles variantes con secciones de tierra acortadas, o no acabadas en punta.

En el caso de este borde posterior Cut-Back, la paleta de borde posterior 28, o bien la pared de álabe 26 opuesta a presión, o del lado de presión, se enfría con una película refrigerante constituida por aire refrigerante K, que sale del espacio interno del álabe 15. En este caso, el aire refrigerante K se mezcla con el medio de trabajo M que afluye del lado de presión en la zona de la paleta de borde posterior 28, de modo que la temperatura de la película refrigerante que circula a lo largo del lado interno de la pared de álabe 26 opuesta a presión aumenta continuamente en la zona de la paleta de borde posterior 28.

Para impedir que de este modo se produzca un sobrecalentamiento de la paleta de borde posterior 28 del álabe 15, que puede conducir a grietas, la paleta de borde posterior 28 está diseñada específicamente para una transferencia de calor especialmente efectiva al aire refrigerante K, ya calentado previamente mediante el contacto con el medio de trabajo caliente M. A tal efecto, en el lado orientado a presión de la paleta de borde posterior 28 está previsto un número de concavidades en forma de artesa 32. Estas generan un fluidizado dentro de la capa de aire refrigerante, sin provocar una separación o un desplazamiento de la misma de la paleta de borde posterior, mediante lo cual se puede conseguir una transferencia de calor elevada de la paleta de borde posterior 28 a la película refrigerante. Con ello se posibilita una acción refrigerante elevada, con pérdida de presión mantenida a nivel reducido.

Las concavidades 32 están configuradas de modo que su respectivo borde límite circundante 34 está previsto exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior 28. En el ejemplo de ejecución, las concavidades 32 poseen respectivamente la configuración de un segmento esférico. Por lo tanto, éstas presentan un borde limitante circular 34 con un radio de aproximadamente 1/10 de la anchura x de la paleta de borde posterior 28. La profundidad de un segmento esférico corresponde aproximadamente a 1/3 del radio de esfera. De este modo se asegura una buena influenciabilidad de la corriente de aire, mientras que la estabilidad mecánica de la paleta de borde posterior 28 se reduce a lo sumo de manera insignificante. Las concavidades 32 forman un modelo regular, de modo que el efecto refrigerante descrito es eficaz uniformemente en el área del lado de presión total de la paleta de borde posterior 28 (con excepción de las secciones interrumpidas por elementos de apuntalamiento 30, que están diseñados, así y todo, para cargas térmicas más elevadas). Para conseguir un efecto refrigerante especialmente uniforme, incluso están incorporadas las concavidades 32 predeterminadas por el modelo, pero que ya no corresponden completamente a la superficie remanente debido a la falta de espacio en el extremo de la paleta de borde posterior 28.

Claims (9)

1. Álabe (15) para una turbina de gas (1), con una pared de álabe del lado de succión (26) y una pared de álabe del lado de presión (24) que termina en la primera en la zona de borde posterior (21), comprendiendo la pared de álabe del lado de succión (26) una paleta de borde posterior (28) que sobresale por encima del borde terminal (27) de la pared de álabe del lado de presión (24) al menos en una sección parcial de la zona de borde posterior (21), caracterizado porque el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28) presenta un número de concavidades en forma de artesa (32), y presentando las concavidades (32) en cada caso un borde limitante (34) que circula exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28).

2. Álabe (15) según la reivindicación 1, presentando un número de concavidades (32) respectivamente un borde limitante elíptico, en especial circular (34).

3. Álabe (15) según la reivindicación 2, presentando un número de concavidades (32) respectivamente la configuración de un segmento esférico.

4. Álabe (15) según la reivindicación 3, ascendiendo el radio del círculo formado por un borde limitante (34) respectivamente a 1/10 hasta 1/4 de la anchura (x) de la paleta de borde posterior (28).

5. Álabe (15) según la reivindicación 3 o 4, ascendiendo la profundidad del segmento esférico en cada caso a aproximadamente 1/3 del radio de esfera.

6. Álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las concavidades (32) están dispuestas regularmente.

7. Álabe (15) según una de las reivindicaciones 3 a 5 con concavidades (32) dispuestas regularmente, respectivamente de las mismas dimensiones, ascendiendo la distancia entre los bordes limitantes (34) cada dos concavidades adyacentes (32) a una vez hasta una vez y media el diámetro de esfera.

8. Procedimiento para la refrigeración de un álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se fluidiza localmente aire refrigerante (K) que circula a lo largo de la paleta de borde posterior (28) mediante concavidades (32) dispuestas en la paleta de borde posterior (28).

9. Empleo de un álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 7 en una turbina de gas.