ES2457846T3

ES2457846T3 - Paleta para una turbina de gas

Info

Publication number: ES2457846T3
Application number: ES08167378.2T
Authority: ES
Inventors: Igor Tsypkaykin; Ruben Valiente; Brian Kenneth Wardle; Beat Von Arx; Andre Saxer
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2014-04-29
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: US20110286849A1; EP2180142A1; WO2010046283A1; EP2180142B1; US8632309B2

Abstract

Paleta (10) para una turbina de gas, que comprende una superficie aerodinámica (11), que se extiende a lo largo de un eje longitudinal (21) desde una raíz de la paleta (20) a una punta de la paleta (12), y que tiene un segmento de refuerzo (14) en dicha punta de la paleta (12), segmento de refuerzo (14) que está en contacto con bordes primero y segundo (22, 23) con segmentos de refuerzo similares de paletas adyacentes para formar un refuerzo semejante a un anillo, por lo cual dichos bordes primero y segundo (22, 23) están provistos cada uno de un raíl lateral respectivo en el lado superior de dicho segmento de refuerzo (14), y el segmento de refuerzo (14) comprende en su lado superior una pluralidad de aletas que corren paralelas en una dirección circunferencial (Y), caracterizada por que dichos raíles laterales (18a, 18b; 19a, 19b) están subdivididos en secciones por medio de dicha pluralidad de aletas (15, 16, 17) de tal modo que entre una primera aleta (15) y una segunda aleta (16) existe una primera sección de raíles laterales (18) con raíles laterales (18a, 18b) de una primera altura (h1) y una primera anchurita (b1) que se extienden desde la primera a la segunda aleta, y entre la segunda aleta (16) y una tercera aleta (17) existe una segunda sección de raíles laterales (19) con raíles laterales (19a, 19b) de una segunda altura (h2) diferente de la primera altura (h1) y una segunda anchura (b2) diferente de la primera anchura (b1) que se extienden desde la segunda a la tercera aleta.

Description

Paleta para una turbina de gas.

Campo de la Invención

La presente invención se refiere en general al campo de las turbinas de gas. La misma está dirigida a una paleta o una turbina de gas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Antecedentes de la Invención

Las paletas de rotor de las turbinas de gas comprenden segmentos de refuerzo de paleta a fin de controlar y minimizar el flujo de pérdidas entre las puntas de las paletas y el estátor circundante así como limitar las amplitudes de vibración. Un segmento de refuerzo de paleta comprende típicamente una plataforma que se extiende en un plano esencialmente paralelo al estátor opuesto a la punta de la paleta y una o más aletas, que se extienden circunferencial y radialmente por fuera hacia el estátor.

La plataforma de un segmento de refuerzo de paleta está conformada típicamente de tal manera que sus bordes son paralelos a los de una plataforma de refuerzo de paleta adyacente. Para resistir la elevada carga térmica durante la operación de la turbina de gas, el refuerzo de la paleta se enfría por medio de un fluido refrigerante (v.g. aire de refrigeración) que pasa a través de un sistema de refrigeración dentro de la plataforma del refuerzo que estaba conectada de manera fluida al interior del hueco de la superficie aerodinámica de la paleta.

La vida útil del refuerzo está limitada por las tensiones mecánicas causadas por las fuerzas centrífugas. Tales tensiones se reducen habitualmente por minimización del espesor de pared de la plataforma, conocido también como la banda de refuerzo. Sin embargo, un segmento de refuerzo de paleta con un espesor de pared delgado no puede estar alineado con el segmento de refuerzo de paleta de la paleta adyacente debido a tolerancias de fabricación y ensamblaje, que existen incluso si las tolerancias se mantienen en un mínimo.

Un desapareamiento adicional resulta de deformaciones de la plataforma de refuerzo durante la operación de la turbina debido a cargas térmica y mecánica. Un desapareamiento entre dos segmentos de refuerzo de paleta adyacentes permite que entre gas caliente en la cavidad entre el estátor y el refuerzo de la paleta. El refuerzo está diseñado típicamente con materiales que tienen una resistencia a la termofluencia y resistencia a la oxidación hasta una temperatura menor que la temperatura del gas caliente. La entrada de gas caliente causa por tanto un fallo prematuro del refuerzo y los componentes adyacentes estático y móvil.

EP-A1-1591625 da a conocer una paleta de turbina de gas con un segmento de refuerzo, que comprende una plataforma que se extiende por ejemplo en el plano que coincide esencialmente con el contorno del estátor opuesto a la punta de la paleta, y raíles laterales que se extienden radialmente y a lo largo de uno o ambos bordes de la plataforma que están orientadas hacia la plataforma de un segmento de refuerzo de paleta de turbina de gas adyacente.

Un aumento del espesor de pared da como resultado un aumento de la rigidez del componente de acuerdo con la tercera potencia del espesor de pared. El segmento de refuerzo de paleta del documento EP-A1-1591625 tiene un espesor de pared incrementado que está limitado a las regiones laterales de la plataforma. Así se consiguen los beneficios de rigidez incrementada y una disminución resultante en la deformación y flexión en la dirección radial hacia fuera con el tiempo de operación de la turbina. Por otra parte, el aumento en espesor de pared está localizado de tal manera que no causa aumento significativo alguno en la masa del segmento de refuerzo ni aumento significativo de la carga mecánica.

EP 1.890.008 A2 presenta una paleta de rotor que tiene dos aletas que corren paralelas en dirección circunferencial al refuerzo de su punta y secciones adicionales primera y segunda de espesor incrementado y variable de sección transversal dispuestas a lo largo de los bordes laterales del refuerzo de la punta. Las secciones primera y segunda están situadas entre dos aletas a cierta distancia de cada aleta.

Sin embargo, dado que no existe raíl lateral alguno o un raíl lateral de altura constante en los segmentos de refuerzo de la técnica anterior, existe todavía gran cantidad de espacio para optimizar la geometría de los raíles laterales para acoplamiento de los segmentos de refuerzo de paleta apropiados y fabricación simplificada, minimización de la ingestión de gas caliente, rigidez mejorada y refrigeración mejorada del refuerzo.

Descripción de la Invención

Por consiguiente, es un objetivo de la invención, proporcionar una paleta de turbina de gas con un segmento de refuerzo en la punta de la paleta, que tiene una geometría optimizada con respecto a los raíles laterales.

Este objetivo se consigue por una paleta de acuerdo con la reivindicación 1. Una característica principal de la paleta de acuerdo con la invención es que cada uno de dichos raíles laterales está subdividido en secciones por medio de dicha pluralidad de aletas de tal modo que entre una primera aleta y una segunda aleta existe una primera sección

de raíles laterales con raíles laterales de una primera altura y una primera anchura que se extienden desde la primera a la segunda aleta, y entre la segunda aleta y una tercera aleta existe una segunda sección de raíles laterales con raíles laterales de una segunda altura diferente de la primera altura y una segunda anchura diferente de la primera anchura que se extiende desde la segunda a la tercera aleta.

Una segunda realización de la paleta de acuerdo con la invención se caracteriza porque dichas aletas están inclinadas con respecto a dicho eje longitudinal de dicha paleta. Especialmente, la ratio h/b de altura a anchura de dichos raíles laterales está comprendida en el intervalo 0,5 ≤ h/b ≤ 2, y preferiblemente la ratio h/b de altura a anchura de dichos raíles laterales está comprendida en el intervalo 1,0 ≤ h/b ≤ 1,3.

De acuerdo con otra realización de la invención, con objeto de evitar zonas muertas para el aire de refrigeración en el espacio entre dichos raíles laterales, el segmento de refuerzo está provisto de un filete en la transición desde cada raíl lateral a la cara superior del segmento de refuerzo, con un radio de filete en el intervalo de 0,5 mm ≤ r1, r2 ≤ 4,0 mm.

De acuerdo con otra realización de la invención, están provistas aberturas en dicho segmento de refuerzo entre dichas aletas para inyección de aire de refrigeración desde el interior de dicha superficie aerodinámica al espacio entre dichas aletas.

De acuerdo con otra realización adicional de la invención, dichos bordes primero y segundo tienen forma de Z.

Breve Descripción de los Dibujos

La materia que constituye el objeto de la invención se explicará con mayor detalle en el texto siguiente con referencia a realizaciones ilustrativas preferidas que se ilustran en los dibujos adjuntos, en los cuales:

Fig. 1 muestra en vista lateral una paleta para una turbina de gas de acuerdo con una realización preferida de la

invención; Fig. 2 la paleta de Fig. 1 en vista de perspectiva; Fig. 3 una vista desde arriba sobre la paleta de acuerdo con Fig. 1; Fig. 4 una sección transversal del segmento de refuerzo de Fig. 3 a lo largo del plano AD-AD; Fig. 5 una sección transversal del segmento de refuerzo de Fig. 3 a lo largo del plano AE-AE; y Fig. 6 una sección transversal del segmento de refuerzo de Fig. 3 a lo largo del plano AF-AF.

Descripción Detallada de Realizaciones Preferidas

Fig. 1 muestra en una vista lateral una paleta 10 para una turbina de gas de acuerdo con una realización preferida de la invención. La paleta 10 comprende una superficie aerodinámica 11, que se extiende a lo largo de un eje longitudinal 21 desde una raíz 20 de la paleta a una punta 12 de la paleta. La paleta 10 tiene un segmento de refuerzo semejante a una plataforma 14 en su punta de paleta 12. Montado dentro de la turbina de gas, el segmento de refuerzo 14 de la paleta 10 está en contacto con bordes primero y segundo (22, 23 en Fig. 3) con segmentos de refuerzo similares de paletas adyacentes para constituir un refuerzo semejante a un anillo, que limita el canal de gas caliente de la turbina y define un espacio hueco entre el anillo de refuerzo y el estátor circundante, que está lleno con aire de refrigeración. Los bordes primero y segundo 22, 23 están provistos cada uno de un raíl lateral respectivo 18 y 19 (18a,b y 19a,b en Fig. 5 y 6) en el lado superior de dicho segmento de refuerzo 14.

El segmento de refuerzo 14 tiene en su lado superior una pluralidad de aletas 15, 16, 17, que están inclinadas con respecto al eje longitudinal 21 y corren paralelas unas a otras en dirección circunferencial (Y en Fig. 3). Los raíles laterales están subdivididos en secciones 18, 19 de diferentes altura (h1, h2 en Fig. 5 y 6) y anchura (b1, b2 en Fig. 5 y 6) por medio de dichas aletas 15, 16, 17. Entre la aleta 15 y la aleta 16 existe una primera sección de raíles laterales 18 (sección transversal AE-AE en Fig. 3, 5) con una primera altura h1 y una primera anchura b1, y entre la aleta 16 y la aleta 17 existe una segunda sección de raíles laterales 19 (sección transversal AF-AF en Fig. 3, 6) con una segunda altura h2 y una segunda anchura b2. Fuera de la aleta 15, no existe raíl lateral alguno (sección transversal AD-AD en Fig. 3, 4).

Como puede verse por Fig. 5 y 6, la altura h1 de la sección de raíles laterales 18 en la región central del segmento de refuerzo 14 entre la aleta 15 y la aleta 16 es sustancialmente mayor que la altura h2 de la sección de raíles laterales 19 entre la aleta 16 y la aleta 17. La ratio h/b de altura h1, h2 a la anchura respectiva b1, b2 de dichos raíles laterales 18, 19 está comprendida en el intervalo 0,5 ≤ h/b ≤ 2, y preferiblemente en el intervalo 1,0 ≤ h/b ≤ 1,3. Especialmente, la ratio h1/b1 asciende a 1,3, mientras que la ratio h2/b2 es 1,0.

Los segmentos de refuerzo 14 del anillo de refuerzo con sus aletas 15, 16 y 17 establecen, junto con el estátor circundante, dos espacios huecos semejantes a anillos, que están refrigerados por aire de refrigeración. Para recibir aire de refrigeración desde el interior hueco de la superficie aerodinámica 11 (véase Fig. 4-6), están provistas aberturas 24, 25 en cada segmento de refuerzo 14 entre dichas aletas 15, 16 y 17, a través de las cuales se inyecta aire de refrigeración en el espacio comprendido entre dichas aletas 15, 16 y 17.

Con objeto de evitar zonas muertas para el aire de refrigeración en el espacio entre dichos raíles laterales 18, 19, el segmento de refuerzo 14 está provisto de un filete en la transición desde cada raíl lateral 18a,b y 19a,b al lado superior del segmento de refuerzo 14, estando comprendido el radio de filete respectivo r1, r2 en un intervalo de 0,5 mm ≤ r1, r2 ≤ 4,0 mm.

5 Como puede verse en Fig. 3, los bordes primero y segundo 22, 23 del segmento de refuerzo 14 tienen forma de Z,

por lo cual los bordes 22, 23 corren paralelos entre aletas 16 y 17 y fuera de la aleta 15, en tanto que exhiben una

curvatura en forma de Z entre las aletas 15 y 16.

Lista de Números de Referencia

10 Paleta 11 Superficie aerodinámica 12 Punta de la paleta 13 Plataforma 14 Segmento de refuerzo 15, 16, 17 Aleta 18, 19 Raíl lateral 18a, b Raíl lateral 19a, b Raíl lateral 20 Raíz de la paleta 21 Eje longitudinal (paleta) 22, 23 Borde 24, 25 Abertura r1, r2 Radio del filete h1, h2 Altura b1, b2 Anchura X Dirección axial (eje de la máquina) Y Dirección circunferencial (dirección de rotación)

Claims

REIVINDICACIONES

1. Paleta (10) para una turbina de gas, que comprende una superficie aerodinámica (11), que se extiende a lo largo de un eje longitudinal (21) desde una raíz de la paleta (20) a una punta de la paleta (12), y que tiene un 5 segmento de refuerzo (14) en dicha punta de la paleta (12), segmento de refuerzo (14) que está en contacto con bordes primero y segundo (22, 23) con segmentos de refuerzo similares de paletas adyacentes para formar un refuerzo semejante a un anillo, por lo cual dichos bordes primero y segundo (22, 23) están provistos cada uno de un raíl lateral respectivo en el lado superior de dicho segmento de refuerzo (14), y el segmento de refuerzo (14) comprende en su lado superior una pluralidad de aletas que corren paralelas en una dirección circunferencial (Y), 10 caracterizada por que dichos raíles laterales (18a, 18b; 19a, 19b) están subdivididos en secciones por medio de dicha pluralidad de aletas (15, 16, 17) de tal modo que entre una primera aleta (15) y una segunda aleta (16) existe una primera sección de raíles laterales (18) con raíles laterales (18a, 18b) de una primera altura (h1) y una primera anchurita (b1) que se extienden desde la primera a la segunda aleta, y entre la segunda aleta (16) y una tercera aleta (17) existe una segunda sección de raíles laterales (19) con raíles laterales (19a, 19b) de una segunda altura

15 (h2) diferente de la primera altura (h1) y una segunda anchura (b2) diferente de la primera anchura (b1) que se extienden desde la segunda a la tercera aleta.
2. Paleta según la reivindicación 1, caracterizada por que dichas aletas (15, 16, 17) están inclinadas con respecto a dicho eje longitudinal (21) de dicha paleta (10).
3. Paleta según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada por que la ratio h/b de altura (h1, h2) a anchura (b1, b2) 20 de dichos raíles laterales (18a,b; 19a,b) está comprendida en el intervalo 0,5 ≤ h/b ≤ 2.
4.

Paleta según la reivindicación 3, caracterizada por que la ratio h/b de altura (h1, h2) a anchura (b1, b2) de dichos raíles laterales (18a,b; 19a,b) está comprendida en el intervalo 1,0 ≤ h/b ≤ 1,3.
5.

Paleta según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que a fin de evitar zonas muertas para el aire de refrigeración en el espacio entre dichos raíles laterales (18a,b; 19a,b) el segmento de refuerzo (14) está

25 provisto de un filete en la transición desde cada raíl lateral (18a,b; 19a,b) al lado superior del segmento de refuerzo (14), con un radio de filete (r1, r2) en un intervalo 0,5 mm ≤ r1, r2 ≤ 4,0 mm.
6. Paleta según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que están provistas aberturas (24, 25) en dicho segmento de refuerzo (14) entre dichas aletas (15, 16, 17) para inyectar aire de refrigeración desde el interior de dicha superficie aerodinámica (11) al espacio entre dichas aletas (15, 16, 17).

30 7. Paleta según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que dichos bordes primero y segundo (22, 23) tienen forma de Z.