ES2282763T3 - Alabe de turbina refrigerrada por pelicula. - Google Patents

Abstract

Álabe de turbina (2) con un segmento de pie (4), un segmento de punta (6) y una hoja de álabe (12), que está dotado de varios canales de refrigerante (22) por los que puede circular un refrigerante (K), en donde de un canal de refrigerante (22), que discurre fundamentalmente en la dirección longitudinal (L) del álabe de turbina (2) y está distanciado respecto a la borde de ataque (14), en la región de borde de ataque (28) de la hoja de álabe (12) se ramifican canales de salida (34) que desembocan en aberturas de salida (24), en donde las aberturas de salida (24) están dispuestas a lo largo de al menos dos filas orientadas fundamentalmente en paralelo al borde de ataque (14), y en donde los canales de salida (34) están orientados en la región de sus respectiva abertura de salida (24) oblicuamente a la dirección longitudinal (L) del álabe de turbina (2), de tal modo que el refrigerante (K) que sale de un segmento parcial (38) del lado de pie de cada fila posee, en la región de las aberturas de salida (38), una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de punta (6) del álabe de turbina (2), mientras que el refrigerante (K) que sale de un segmento parcial (42) del lado de punta adyacente al mismo de cada fila presenta una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de pie (4), caracterizado porque los puntos de transición (40), en los que se modifica la orientación de los canales de salida (34), están dispuestos alternados mutuamente en la dirección longitudinal (L) para cada dos filas adyacentes.

Description

Álabe de turbina refrigerada por película.

La invención se refiere a un álabe de turbina para usarse en una turbina de gas con una hoja de álabe, que está dotada de varios canales de refrigerante por los que puede circular un refrigerante, en donde de un canal de refrigerante, que discurre fundamentalmente en la dirección longitudinal del álabe de turbina y está distanciado respecto a la borde de ataque, en la región de borde de ataque de la hoja de álabe se ramifican canales de salida que desembocan en aberturas de salida.

Las turbinas de gas se usan en muchos campos para accionar generadores o máquinas de trabajo. Con ello se usa la energía interna de un combustible para generar un movimiento de rotación de un árbol de turbina. El combustible se quema para esto en una cámara de combustión, en donde desde un compresor de aire se alimenta aire comprimido. El medio de trabajo generado en la cámara de combustión mediante la combustión del combustible, sometido a presión elevada y a temperatura elevada, se guía con ello a través de una unidad de turbina postconectada a la cámara de combustión, en la que se expande produciendo trabajo.

Para generar el movimiento de rotación del árbol de turbina están dispuestos con ello sobre el mismo varios álabes de rodete, reunidos normalmente en grupos de álabes o filas de álabes, que accionan el árbol de turbina a través de una transmisión de impulsos desde el medio de circulación. Para guiar el medio de circulación en la unidad de turbina están dispuestas además, normalmente, filas de álabes de rodete unidas a la carcasa de turbina entre filas de álabes de rodete adyacentes. Los álabes de turbina, en especial los álabes de rodete, presentan con ello normalmente para un guiado apropiado del medio de trabajo una hoja de álabe, que se extiende a lo largo de un eje de álabe, sobre la que puede estar conformada por un extremo, para fijar el álabe de turbina al respectivo cuerpo soporte, una plataforma que se extiende transversalmente al eje de álabe. Sin embargo, también en el otro extremo libre puede estar aplicada una plataforma o una conformación similar a una plataforma.

Para el diseño de tales turbinas de gas es un objetivo de diseño, además de la potencia a conseguir, 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 el que el medio de trabajo afluye desde la cámara de combustión hacia abajo y hacia dentro de la unidad de turbina. Por ello se buscan y también se alcanzan temperaturas de aproximadamente entre 1.200ºC y 1.300ºC para tales turbinas de gas.

En el caso de unas temperaturas así de elevadas, sin embargo, los componentes y piezas constructivas expuestos a las mismas están sometidos a elevadas cargas térmicas. Para garantizar aún así, con una elevada fiabilidad, una vida útil relativamente larga de los componentes afectados, está prevista normalmente una refrigeración de los componentes afectados, en especial de álabes de rodete y/o álabes de guiado de la unidad de turbina. Los álabes de turbina están configurados con ello normalmente de forma que pueden refrigerarse, en donde se pretende garantizar en especial una refrigeración eficaz y fiable de la borde de ataque, cargada térmicamente en una medida especial, de los álabes de turbina respectivos.

Como refrigerante se usa con ello normalmente aire refrigerante. Este se alimenta a los respectivos álabes de turbina normalmente a modo de una refrigeración abierta, a través de varios canales de refrigerante integrados en la hoja de álabe o en el perfil de álabe. Partiendo de éstos, el aire refrigerante atraviesa en canales de salida que se ramifican de los mismos las regiones previstas en cada caso del álabe de turbina, con lo que se obtiene una refrigeración convectiva del interior del álabe y de la pared del álabe. Por el lado de salida estos canales se han dejado abiertos, de tal modo que el aire refrigerante, después de atravesar el álabe de turbina, sale de las aberturas de salida designadas también como orificios de refrigeración de película y configura una película de aire refrigerante sobre la superficie del álabe de turbina. Mediante esta película de aire refrigerante queda protegido en gran medida el material sobre la superficie contra un contacto directo y demasiado intenso con el medio de trabajo caliente, que circula a lo largo a elevada velocidad.

Para hacer posible en la región de borde de ataque de la hoja de álabe una refrigeración de película especialmente uniforme y efectiva, las aberturas de salida están dispuestas allí normalmente a lo largo de al menos dos filas orientadas en paralelo a la borde de ataque. Los canales de salida están orientadas además por lo general oblicuamente a la dirección longitudinal del álabe de turbina, lo que apoya la configuración de la película de aire refrigerante a proteger, que circula a lo largo y sobre la superficie. Debido a que los canales de salida se introducen durante la producción de los álabes de turbina, por motivos económicos, normalmente sólo al final desde el exterior, por ejemplo mediante taladrado láser u otros procedimientos de taladrado, y en especial en la región de borde de ataque de la hoja de álabe se impide posiblemente el acceso de los instrumentos de taladrado a través de las plataformas conformadas por el extremo o las conformaciones de tipo plataforma, se produce un cambio de orientación con respecto a la aplicación oblicua de los canales de salida, con frecuencia en un punto de transición situado aproximadamente en el centro entre el segmento de pie y el segmento de punta de la respectiva hoja de álabe. Esto se produce de tal modo que el refrigerante que sale de un segmento parcial del lado de pie de cada fila posee, en la región de las aberturas de salida, una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de punta, mientras que el refrigerante que sale de un segmento parcial del lado de punta adyacente de cada fila presenta una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de pie. En otras palabras: en el segmento parcial del lado de pie los canales de salida están inclinados en la dirección de extensión del álabe de turbina, mientras que por el contrario están inclinados en el segmento parcial del lado de punta en contra de la dirección de extensión. Un álabe de turbina de este tipo se conoce del documento EP-A-0 894 946.

Sin embargo, una disposición así de los canales de salida puede acarrear también inconvenientes. Si el cambio de su orientación y la modificación ligada al mismo del ángulo de ramificación, con respecto al canal de refrigerante que discurre en dirección longitudinal y se corresponde con la borde de ataque, se produce de un modo abrupto contemplado localmente, en el punto de transición es posible que unas regiones relativamente grandes entre la borde de ataque y el canal de refrigerante no sean atravesadas posiblemente por canales de salida y, por ello, tampoco se refrigeran convectivamente. Este fallo debe compensarse después, dado el caso, mediante el uso específicamente aumentado de aire refrigerante. Si la modificación de orientación de los canales de salida se produce en lugar de esto de forma relativamente continua, en la región de transición se dificulta la configuración de una película de aire refrigerante que circula a lo largo de y sobre la superficie de la hoja de álabe, ya que el aire refrigerante sale allí casi perpendicularmente a la superficie de los orificios de refrigeración de película y de este modo posee la tendencia de soltarse de la misma. También en este caso es necesario alimentar aire refrigerante de forma aumentada, lo que a su vez significa pérdidas en la corriente másica de compresor disponible y reduce el grado de eficacia de la turbina de gas.

Por ello la invención se ha impuesto la tarea de indicar un álabe de turbina de la clase citada anteriormente, para el que con medios sencillos pueda alcanzarse una refrigeración especialmente fiable y uniforme de la región de borde de ataque al mismo tiempo que una necesidad de aire refrigerante que se mantenga especialmente reducida.

Esta tarea es resuelta conforme a la invención por medio de que los puntos de transición, en los que se modifica la orientación de los canales de salida, están dispuestos alternados mutuamente en dirección longitudinal para cada dos filas adyacentes.

La invención se basa con ello en la idea de que el refrigerante que sale de las aberturas de salida, en la región de borde de ataque de la hoja de álabe, para formar una película de refrigeración efectiva debería presentar una componente de velocidad lo más grande posible en paralelo a la superficie. Por este motivo debería mantenerse la orientación de los canales de salida, que ha demostrado su valor y discurre oblicuamente a la dirección longitudinal. Con relación a las limitaciones que se dan durante la producción de la hoja de álabe, que afectan al acceso y a la orientación de las herramientas de producción, es también deseable asimismo un cambio de orientación de la clase descrita para los canales de salida que desembocan en las aberturas de salida, a lo largo de cada una de las filas en las que están dispuestas las aberturas de salida. Por otro lado deberían evitarse regiones con densidad de frecuencia relativamente muy reducida de los canales de salida en la pared de álabe. Además hay que descartar que los huecos o espacios intermedios pertenecientes a filas adyacentes, en un modelo de distribución relativamente regular de los canales de salida, lleguen a situarse directamente unos junto a otros.

Esto se consigue por medio de que los puntos de transición correspondientes para cada dos filas adyacentes están dispuestos alternados mutuamente en dirección longitudinal. La alternancia produce precisamente una limitación local de los canales de salida pertenecientes a cada dos filas adyacentes y, de este modo, con relación a la totalidad de las filas una distribución relativamente homogénea de los canales de salida en toda la región de borde de ataque de la hoja de álabe. Por ello se garantiza en esta región también una refrigeración convectiva del interior de álabe relativamente buena y efectiva, de tal manera que se evita que el material sufra un esfuerzo local excesivo a causa de sobrecalentamiento. Frente a ejecuciones conocidas puede mantenerse relativamente baja la necesidad de refrigerante, lo que influye positivamente en el rendimiento de una turbina de gas equipada con álabes de turbina de este tipo.

Puede conseguirse un comportamiento de circulación especialmente favorable del refrigerante que sale en las proximidades de la borde de ataque, para una refrigeración de película efectiva, en combinación con una buena refrigeración convectiva de la pared de álabe adyacente, por medio de que las aberturas de salida en toda la región de borde de ataque están distribuidas de forma aproximadamente uniforme en un perfeccionamiento ventajoso de la invención, de tal modo que están situadas sobre los puntos de esquina de una red de entramado imaginaria regular, curvada alrededor de la borde de ataque de la hoja de álabe. Esto produce un humedecimiento especialmente homogéneo de la superficie de álabe con refrigerante.

Los ángulos de ataque de los canales de salida con relación a la dirección longitudinal son con preferencia en cada caso aproximadamente del mismo valor para los segmentos parciales, en el lado del pie y en el lado de la punta, de todas las filas de aberturas de salida. Con ello puede ajustarse un valor optimizado para el efecto de la refrigeración de película, que se conoce de ensayos o cálculos.

El concepto de la limitación por segmentos de filas de refrigeración de película adyacentes puede aplicarse con cualquier número de filas situadas unas junto a otras. Sin embargo, debido a que el radio de curvatura de una hoja de álabe es con frecuencia relativamente pequeño en el entorno de la borde de ataque, después sólo pueden alojarse pocas filas de aberturas de salida en la región de borde de ataque. Una refrigeración de borde de ataque uniforme especialmente ahorrativa con relación al consumo de refrigerante, sin embargo, puede conseguirse ya en una configuración preferida con tres filas. En el caso de esta variante son los puntos de transición pertenecientes a las dos filas exteriores, con relación a la dirección longitudinal, normalmente iguales y con ello están dispuestos simétricamente con relación a la fila central.

El punto de transición perteneciente a la fila central está desplazado ventajosamente, en este caso, con relación a las dos filas exteriores en tres aberturas de salida. En el caso de esta elección se presenta por un lado una penetración relativamente buena de la pared de álabe en la región de borde de ataque con canales de salida, y por otro lado la alternancia mutua es todavía suficientemente reducida, de tal modo que las corrientes de aire que salen en la región de limitación en sentido contrapuesto sólo irritan mutuamente de forma insignificante.

Esta disposición optimizada de taladros de refrigeración de película es especialmente ventajosa en el caso de un álabe de guiado previsto en una turbina de gas, que está obturado tanto en el extremo del lado de pie como del lado de punta frente a posibles plataformas voluminosas y macizas, que impiden en medida especial el acceso de herramientas de taladrado para producir los canales de salida.

Las ventajas conseguidas con la invención consisten en especial en que mediante la alternancia de los puntos de transición, en los que se modifica la orientación de los canales de salida con relación a la dirección longitudinal, se obtiene un álabe de turbina a producir con complejidad reducida que, en la región de la borde de ataque que sufre especialmente esfuerzos está protegido, tanto sobre la superficie mediante una película de aire refrigerante uniforme como en la región interior mediante convección de aire refrigerante en los canales de salida, distribuidos de forma aproximadamente homogénea y sin huecos de mayor dilatación, contra un esfuerzo excesivo a causa de calentamiento durante el funcionamiento en una turbina de gas. Por medio de esto puede ahorrarse aire refrigerante, lo que aumenta el grado de eficacia de la turbina de gas.

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

la figura 1 una vista lateral parcialmente cortada de un álabe de turbina,

la figura 2 una sección transversal parcial a través del álabe de turbina según la figura 1,

la figura 3 un corte longitudinal parcial a través del álabe de turbina según la figura 1 y

la figura 4 una vista parcialmente cortada del borde de ataque del álabe de turbina según la figura 1.

Las piezas iguales están dotadas en todas las figuras de los mismos símbolos de referencia.

El álabe de turbina 2 según la figura 1 está configurado como álabe de guiado para una turbina de gas no representada aquí ulteriormente. Comprende un segmento de pie 4 y un segmento de punta 6 con plataformas 8, 10 correspondientes y una hoja de álabe 12 intercalada, que se extiende en la dirección longitudinal L. La hoja de álabe 12 perfilada presenta un borde de ataque 14, que se extiende también fundamentalmente en dirección longitudinal L, y un borde de salida 16 con paredes laterales 18 intercaladas. El álabe de turbina 2 se fija a través del segmento de pie 4 a la carcasa interior de la turbina, en donde la plataforma 8 correspondiente forma un elemento de pared que limita el recorrido de circulación del medio de trabajo en la turbina de gas. La plataforma 10 del lado de punta opuesta al árbol de turbina forma una ulterior limitación para el medio de trabajo circulante. El álabe de turbina 2 podría estar configurado alternativamente también como álabe de rodete que, de forma análoga, está fijado al árbol de turbina a través de una plataforma 8 del lado de pie designada también como pie de álabe.

A través de varias aberturas de entrada 20 dispuestas en el extremo inferior del segmento de pie 4 se introduce un refrigerante K en el interior del álabe. Sin embargo, también se conocen conceptos en los que la alimentación del refrigerante K se realiza a través de la plataforma 10 del lado de punta. Normalmente se trata en el caso del refrigerante K de aire refrigerante. Después de que el refrigerante K haya recorrido uno o varios canales de refrigerante 22 conectados a las aberturas de entrada 20, en el interior del álabe de turbina 2, sale por varias aberturas de salida 24 correspondientes a los canales de refrigerante 22, designadas también como orificios de refrigeración de película, en la región de la hoja de álabe 12. Diferentes regiones de la hoja de álabe 12 imponen con ello con relación a la diferente carga térmica y mecánica, así como a las respectivas condiciones de espacio en el interior del álabe, requisitos muy diferentes para la disposición y la configuración de los orificios de refrigeración de película. En especial la región de borde de ataque 28 relativamente muy curvada, que se conecta directamente al borde de ataque 14 de la hoja de álabe 12, requiere una refrigeración efectiva a causa de sufrir una carga relativamente elevada.

La figura 2 muestra la región delantera de la hoja de álabe 12 perfilada con la región de borde de ataque 28 relativamente muy curvada, que comprende el borde de ataque 14, a la que se conectan el lado de presión 30 y el lado de aspiración 32. De un canal de refrigerante 22, que discurre fundamentalmente en la dirección longitudinal L del álabe de turbina 2 y está distanciado respecto al borde de ataque 14, se ramifican canales de salida 34 de menor sección transversal, que atraviesan la pared de álabe 36 y desembocan en la región de borde de ataque 28 en aberturas de salida 24 u orificios de refrigeración de película. Mediante la circulación del refrigerante K a través de los canales de salida 34 se consigue una refrigeración de las zonas limítrofes de la pared de álabe 36. A esta refrigeración convectiva del interior de álabe contribuye el efecto, causado por el aire refrigerante que sale de las aberturas de salida 24, de la refrigeración de película sobre la superficie de la hoja de álabe 12. Con ello se forma sobre la superficie, a causa del aire refrigerante que fluye a lo largo de la misma con una velocidad relativamente baja, en cierta medida un colchón de aire o una película protectora, que impide un contacto directo de la superficie de álabe con el medio de trabajo que presenta una elevada velocidad de circulación.

Para hacer posible por un lado una refrigeración convectiva uniforme de la pared de álabe 36 y, por otro lado, favorecer la configuración de una película de aire refrigerante continua, las aberturas de salida 24 están dispuestas en el ejemplo de ejecución a lo largo de tres filas orientadas en paralelo al borde de ataque 14, de tal modo que forman un modelo de entramado regular. Aparte de esto los canales de salida 34 están inclinados con respecto a la dirección longitudinal L del álabe de turbina 2, de tal modo que se obtiene en la región de sus aberturas de salida 24 para el refrigerante K saliente un ángulo de salida plano con relación a la superficie de álabe. Esto influye también positivamente en la creación de una película de aire refrigerante protectora. Como puede deducirse del corte longitudinal a lo largo de la fila central de aberturas de salida 2 conforme a la figura 3, existen dos diferentes segmentos parciales que afectan a la inclinación de los canales de salida 34, En un segmento parcial 38 del lado de pie de la fila representada están inclinados de tal modo, que el refrigerante K que sale de las aberturas de salida 24 posee una componentes de velocidad dirigida hacia el segmento de punta 6 del álabe de turbina 2. En un punto de transición 40 adyacente se modifica la orientación de los canales de salida 34, de tal modo que el refrigerante K que sale del segmento parcial 42 del lado de punta de la fila presenta una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de pie 4. Este cambio de orientación es obligado a causa del acceso limitado de las plataformas 8, 10 de las herramientas de taladrado para la producción del álabe de turbina 2 y acarrea la presencia de un hueco 44 relativamente grande en la pared de álabe 36, atravesada por lo demás uniformemente por canales de salida 34. Lo que acaba de decirse es lógicamente aplicable a cada una de las tres filas de aberturas de salida 24, dispuestas en la región de borde de ataque 28 de la hoja de álabe 12.

El álabe de turbina 2 está diseñado específicamente para una refrigeración especialmente fiable de la región de borde de ataque 28, con un requisito mantenido al mismo tiempo especialmente reducido de refrigerante K. Para esto los citados puntos de transición 40 están posicionados alternados mutuamente a modo de una disposición, limitada por segmentos, de filas de refrigeración de película adyacentes. La vista en perspectiva parcialmente cortada del borde de ataque 14 en la figura 14 muestra precisamente que el punto de transición 40 perteneciente a la fila central, en el que se modifica la orientación de los canales de salida 34, está desplazado en la dirección longitudinal L con respecto a las dos filas exteriores. El desplazamiento es aquí, en el ejemplo de ejecución, de tres puntos de entramado. Por medio de esto también los huecos 44, pertenecientes en cada caso a dos filas adyacentes, están dispuestos mutuamente alternados con respecto a los canales de salida 34, hasta un punto tal que en toda la zona de limitación 46 se garantiza en conjunto una penetración relativamente buena de la pared de álabe 36 con canales de salida 34 y, de este modo, también una refrigeración convectiva relativamente buena. Debido a que en el otro lado el desplazamiento mutuo de los puntos de transición 40 no se ha elegido fundamentalmente mayor que el valor mínimo necesario para este fin, se limita a un mínimo necesario la fluidización de la película de aire refrigerante que fluye sobre la superficie a causa de las corrientes de aire orientadas en contraposición en este segmento.

De este modo se crea una disposición de canales de salida 34 y aberturas de salida 24 correspondientes, tanto en cuanto a la refrigeración convectiva de la pared de álabe 36 como a la refrigeración de película sobre la superficie, que destaca con respecto a las soluciones conocidas por un menor consumo de refrigerante y, con ello, aumenta el grado de eficacia de una turbina de gas equipada con tales álabes de turbina 2.

Claims (7)

1. Álabe de turbina (2) con un segmento de pie (4), un segmento de punta (6) y una hoja de álabe (12), que está dotado de varios canales de refrigerante (22) por los que puede circular un refrigerante (K), en donde de un canal de refrigerante (22), que discurre fundamentalmente en la dirección longitudinal (L) del álabe de turbina (2) y está distanciado respecto a la borde de ataque (14), en la región de borde de ataque (28) de la hoja de álabe (12) se ramifican canales de salida (34) que desembocan en aberturas de salida (24), en donde las aberturas de salida (24) están dispuestas a lo largo de al menos dos filas orientadas fundamentalmente en paralelo al borde de ataque (14), y en donde los canales de salida (34) están orientados en la región de sus respectiva abertura de salida (24) oblicuamente a la dirección longitudinal (L) del álabe de turbina (2), de tal modo que el refrigerante (K) que sale de un segmento parcial (38) del lado de pie de cada fila posee, en la región de las aberturas de salida (38), una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de punta (6) del álabe de turbina (2), mientras que el refrigerante (K) que sale de un segmento parcial (42) del lado de punta adyacente al mismo de cada fila presenta una componente de velocidad dirigida hacia el segmento de pie (4), caracterizado porque los puntos de transición (40), en los que se modifica la orientación de los canales de salida (34), están dispuestos alternados mutuamente en la dirección longitudinal (L) para cada dos filas adyacentes.

2. Álabe de turbina (2) según la reivindicación 1, caracterizado porque las aberturas de salida (24) en la región de borde de ataque (28) están situadas aproximadamente sobre los puntos de entramado de una red de entramado regular.

3. Álabe de turbina (2) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los ángulos de ataque de los canales de salida (34) con relación a la dirección longitudinal (L) son en cada caso aproximadamente del mismo valor para los segmentos parciales (38, 42), en el lado del pie y en el lado de la punta, de todas las filas de aberturas de salida (24).

4. Álabe de turbina (2) según la reivindicación 3, con al menos tres filas de aberturas de salida (24), caracterizado porque los puntos de transición (40) pertenecientes a las dos filas exteriores están dispuestos iguales con relación a la dirección longitudinal
(L).

5. Álabe de turbina (2) según la reivindicación 4, caracterizado porque el punto de transición (40) perteneciente a la fila central está desplazado con relación a las dos filas exteriores en tres aberturas de salida (24).

6. Álabe de turbina (2) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque está ejecutado como álabe de rodete.

7. Turbina de gas, caracterizada porque al menos uno de los álabes de turbina (2) está ejecutado según una de las reivindicaciones 1 a 6.