ES2569521T3 - Turbomáquina - Google Patents

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ES2569521T3
ES2569521T3 ES06829956.9T ES06829956T ES2569521T3 ES 2569521 T3 ES2569521 T3 ES 2569521T3 ES 06829956 T ES06829956 T ES 06829956T ES 2569521 T3 ES2569521 T3 ES 2569521T3
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Jonas Hurter
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Abstract

Turbomáquina (1), especialmente una turbina de gas, con al menos una cámara de combustión (2) y al menos una turbina (3) situada más abajo, - presentando la cámara de combustión (2) al menos un elemento de soporte (7) y un elemento de revestimiento (8) unido al mismo y configurado como elemento de protección contra el calor, - configurándose entre la cámara de combustión (2) y la turbina (3) situada más abajo una hendidura (5) obturada por medio de una junta (6), en la que se dispone, por la cara frontal del elemento de soporte (7), una pieza insertada (10) intercambiable que está dotada de la junta (6) y que protege al elemento de soporte (7) contra gases calientes, caracterizada por que la pieza insertada (10) intercambiable se fabrica de un material más resistente a la oxidación que el del elemento de soporte (7) o se recubre de un material de estas características.

Description

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DESCRIPCION
Turbomaquina Campo tecnico
La presente invencion se refiere a una turbomaquina, especialmente a una turbina de gas, con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1.
Estado de la tecnica
En las turbomaquinas tradicionales, un elemento de revestimiento, por ejemplo un forro interior, se fija en un elemento de soporte, formandose en el elemento de soporte una ranura de obturacion de membrana para una junta de membrana. Durante el funcionamiento de la turbomaquina el elemento de soporte esta rodeado, por ejemplo, por una temperatura final de compresor, por lo que no formula requisitos marcadamente elevadas en lo que se refiere a la resistencia a la oxidacion del material. Por lo tanto suele ser suficiente que los elementos de soporte se fabriquen, por ejemplo, de Stg50T, Stg41T, St530TS o GGG40. Para poder reducir ademas, en las turbomaquinas de este tipo, un porcentaje de aire de refrigeracion de una plataforma de turbinas, esta se construye lo mas corta posible, por lo que aumenta sin embargo, debido a la resistencia aerodinamica de un alabe de turbina, la presion estatica delante del borde de entrada del alabe causando un asf llamado efecto de ola de proa. Como consecuencia de la mayor presion estatica en la zona del borde de entrada del alabe puede producirse a su vez una penetracion de gas caliente en la hendidura entre una camara de combustion y la plataforma de turbinas. Las piezas expuestas al gas caliente, como por ejemplo el forro interior de la junta de membrana, se fabrican normalmente de una aleacion a base de mquel de modo que, incluso sin revestimiento de proteccion contra el calor, estan suficientemente protegidos. Los elementos de soporte, en cambio, se oxidan bastante a causa de las elevadas temperaturas provocadas por la penetracion de gas caliente. Para evitarlo se suelda sobre los elementos de soporte una capa protectora, por ejemplo una capa de Inconel625, cuya fabricacion es complicada y ocasiona un coste elevado. Adicionalmente la hendidura se barre con aire de refrigeracion a traves de la junta de membrana del lado de la plataforma. A pesar de estas medidas de proteccion se produce en la zona de una cara frontal axial de la hendidura un desgaste por abrasion en el elemento de soporte, lo que en el peor de los casos puede dar lugar a una fuga mayor e incluso a la desintegracion de la membrana de obturacion.
Por el documento GB 2 035 474 A se conoce una turbomaquina que presenta al menos una camara de combustion y al menos una turbina situada mas abajo, previendose, como mmimo, un elemento de soporte y un elemento de revestimiento de proteccion contra el calor. Entre la camara de combustion y la turbina situada mas abajo existe una hendidura obturada por medio de una junta, disponiendose por la cara frontal del elemento de soporte una pieza insertada intercambiable que protege al menos el elemento de soporte contra los gases calientes.
Otras turbomaquinas se conocen por los documentos DE 43 24 035 y US 5,337,583.
Representacion de la invencion
La tarea de la invencion consiste en proporcionar una turbomaquina perfeccionada en la que, por una parte, se protejan eficazmente los elementos de soporte contra la oxidacion y, por otra parte, se mejore claramente el mantenimiento de la turbomaquina, por ejemplo alargando los intervalos de mantenimiento.
Este problema se resuelve gracias a la reivindicacion independiente. En las reivindicaciones dependientes se describen variantes de realizacion preferidas.
La invencion se basa en la idea general de disponer en una turbomaquina, en una hendidura obturada por medio de una junta entre la camara de combustion y una turbina situada mas abajo, por la cara frontal de un elemento de soporte de la camara de combustion, una pieza insertada intercambiable que proteja el elemento de soporte de manera fiable contra los gases calientes y, por consiguiente, contra la oxidacion. Gracias a la solucion segun la invencion se puede evitar una oxidacion prematura del elemento de soporte, configurandose la pieza insertada al mismo tiempo de modo que pueda ser cambiada de forma rapida y sencilla, es decir, sin necesidad de largas paradas de la turbomaquina y sin costes elevados. La pieza insertada se dispone por la cara frontal del elemento de soporte en la hendidura de manera que cubra toda la cara frontal orientada hacia la hendidura del elemento de soporte. La pieza insertada se monta ademas de modo desmontable en el elemento de soporte por lo que, en caso de necesidad, se puede sustituir facilmente.
De acuerdo con la invencion la pieza insertada se fabrica de un material mas resistente a la oxidacion que el del elemento de soporte, o se recubre con un material de estas caractensticas. La pieza insertada impide asf eficazmente una oxidacion no deseada del elemento de soporte y solo se tiene que sustituir o mantener en un intervalo de mantenimiento correspondiente al del elemento de revestimiento, siendo su calidad la misma que la del elemento de revestimiento altamente resistente al calor. Al mismo tiempo es posible fabricar el elemento de soporte de un material mas favorable para la construccion, por ejemplo de un material mas resistente y economico. Por lo
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tanto, no es necesario que el elemento de soporte se fabrique tambien de un material resistente a la oxidacion, lo que supone un ahorro importante. Ademas se puede renunciar a un revestimiento resistente a las temperatures y/o al desgaste del elemento de soporte que, por una parte, requiere una aplicacion diffcil y, por otra parte, una sustitucion complicada, especialmente en caso de mantenimiento.
Dado que, segun una variante de realizacion ventajosa, la pieza insertada intercambiable puede estar compuesta por varios segmentos de cfrculo o por dos anillos semicirculares, es posible cambiar en caso necesario unicamente algunos de los segmentos de la pieza insertada, con lo que tambien se pueden reducir los gastos y el trabajo de mantenimiento.
En otra variante de realizacion ventajosa la pieza insertada intercambiable se dispone en la hendidura entre una primera camara de combustion y una turbina situada mas abajo y/o en la hendidura entre una segunda camara de combustion y una turbina de baja presion situada mas abajo. Esto explica que la solucion conforme a la invencion para la proteccion de los elementos de soporte frente a una penetracion de gas caliente y, por consiguiente, frente a una oxidacion prematura se puede aplicar de multiples maneras y en una gran variedad de turbomaquinas. Se quiere destacar especialmente que la pieza insertada intercambiable segun la invencion se emplea en diversas hendiduras de una turbomaquina, especialmente en las zonas en las que se trata de proteger con eficacia los componentes con riesgo de oxidacion. Logicamente una pieza insertada de este tipo tambien se puede utilizar por la cara interior y/o por la cara exterior de una camara de combustion anular.
La pieza insertada esta dotada convenientemente de la junta y/o la junta se configura en forma de junta de membrana. En caso de desgaste de la junta, que en construcciones tradicionales se fijaba frecuentemente en el elemento de soporte, habfa que cambiar hasta ahora el elemento de soporte completo, lo que causaba largas paradas y, por lo tanto, costes elevados. Gracias a la solucion segun la invencion la junta se puede retirar facilmente soltando la pieza insertada de manera sencilla en direccion axial de la cara frontal del elemento de soporte y volver a fijar despues en la misma. Por consiguiente no hace falta cambiar todo el elemento de soporte, con lo que se reducen, por una parte, los tiempos de parada de la turbomaquina y, por otra parte, el coste.
En otra variante de realizacion preferida la junta consta de varios segmentos de cfrculo o de dos anillos semicirculares, solapandose los dos anillos semicirculares en direccion perimetral. Esto facilita el cambio de algunos de los segmentos de obturacion o de algunos de los anillos semicirculares de obturacion, por lo que se consigue un mantenimiento individualizado y ajustado a las necesidades de la turbomaquina. Con la segmentacion de la junta se logra ademas un mejor manejo de la misma, especialmente en el mantenimiento, lo que permite simplificar los trabajos de mantenimiento y reducir el coste del mismo.
Convenientemente cada segmento de cfrculo y/o cada anillo semicircular de la junta se fija en al menos un punto de la pieza insertada. Debido a las elevadas temperaturas, provocadas sobre todo por le penetracion de gas caliente en la hendidura, se producen deformaciones considerables que la junta debe absorber sin sufrir danos. Debido a la fijacion puntual de los segmentos de obturacion o de los anillos semicirculares de obturacion se fija, por una parte, cada uno de los segmentos o de los anillos semicirculares y se permite, por otra parte, una libre expansion de la temperatura tanto en direccion radial como en direccion perimetral.
Otras caractensticas y ventajas de la turbomaquina segun la invencion resultan de las subreivindicaciones, de los dibujos y de la correspondiente descripcion de las figuras a la vista de los dibujos.
Breve descripcion de los dibujos
Las variantes de realizacion preferidas de la invencion se ilustran en los dibujos y se explican mas detalladamente en la siguiente descripcion. Las caractensticas fundamentalmente o funcionalmente iguales o similares llevan las mismas referencias.
Se muestra esquematicamente en la
Figura 1 una seccion longitudinal del lado de entrada de la turbina en la zona de una hendidura;
Figura 2 una representacion en perspectiva ampliada de la zona A de la figura 1;
Figura 3 una seccion longitudinal en la zona de una hendidura entre una primera camara de combustion y una turbina de alta presion situada mas abajo con una pieza insertada intercambiable;
Figura 4 una seccion longitudinal de la turbomaquina en la zona de una hendidura entre una segunda camara de combustion y una turbina de baja presion situada mas abajo con la pieza insertada segun la invencion.
Descripcion detallada de los dibujos
De acuerdo con la figura 1, una turbomaquina segun la invencion 1, por ejemplo una turbina de gas, presenta al menos una camara de combustion 2 y al menos una turbina 3 situada mas debajo de la camara de combustion 2. La direccion de flujo se identifica, conforme a la figura 1, con el numero de referencia 4. Entre la camara de combustion 2 y la turbina 3 situada mas abajo se configura una hendidura 5 impermeabilizada por medio de una junta 6 (comparese figura 2 y 4). En la figura 1 se ve ademas que la turbomaquina 1 presenta al menos un elemento de soporte 7 y un elemento de revestimiento 8 unido al mismo y configurado como elemento de proteccion contra el calor.
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Para poder conseguir las ventajas de fabricacion y de resistencia se pretende crear una plataforma de turbinas lo mas corta posible. Sin embargo, debido a la resistencia aerodinamica de un alabe 9 se incrementa la presion estatica delante de un borde de entrada al alabe 9 de la turbina, resultando el asf llamado efecto de ola de proa. Como consecuencia de la mayor presion estatica en la zona del borde de entrada del alabe puede producirse a su vez una penetracion de gas caliente en la hendidura 5 entre una camara de combustion 2 y la turbina 3. Las piezas expuestas al gas caliente, como por ejemplo el elemento de revestimiento 8, se fabrican normalmente de una aleacion a base de mquel de modo que, incluso sin revestimiento de proteccion contra el calor, estan suficientemente protegidos. Los elementos de soporte 7, en cambio, se oxidan bastante a causa de una temperatura demasiado elevada. Para evitar un contacto directo entre los gases calientes y el elemento de soporte 7 en la hendidura 5 y reducir una tendencia a la oxidacion, se dispone por la cara frontal del elemento de soporte 7 en la hendidura 5 una pieza insertada intercambiable 10 (comparense las figuras 1 a 4). La pieza insertada intercambiable 10 es de un material resistente a la oxidacion que posee especialmente una resistencia a la oxidacion mayor que la del material empleado para el elemento de soporte 7. Un efecto secundario oportuno de las turbinas cortas 3 es ademas un porcentaje de aire de refrigeracion reducido, con lo que se puede incrementar la eficacia de la turbina 3.
Debido a la seccion transversal circular de la turbina 3 la pieza insertada 10 intercambiable puede estar compuesta por varios segmentos de cfrculo o por dos anillos semicirculares, dado que especialmente los segmentos de cfrculo permiten un manejo mas sencillo gracias a su peso reducido. Se obtiene ademas la ventaja de poder cambiar, en caso necesario, unicamente algunos de los segmentos de la pieza insertada 10, con lo que tambien se pueden reducir, en conjunto, los gastos y el trabajo de mantenimiento. La pieza insertada 10 dispuesta por la cara frontal del elemento de soporte 7 cubre por completo una cara frontal del elemento de soporte 7, con lo que esta queda totalmente protegida contra los gases calientes que penetran en la hendidura 5. La fijacion de la pieza insertada 10 en el elemento de soporte 7 se lleva a cabo, por ejemplo, por medio de un rebaje 11 (comparese figura 4) en el que engrana la pieza insertada 10 intercambiable y/o por medio de al menos un elemento de fijacion 12 (comparense las figuras 2 a 4), por ejemplo un tornillo. Esto garantiza un facil desmonje y, por lo tanto, un cambio rapido de la pieza insertada 10 o de la junta 6 en caso de mantenimiento.
Para conseguir una resistencia lo mas alta posible a la oxidacion o temperatura, la pieza insertada 10 intercambiable esta dotada de un revestimiento resistente al desgaste y a las temperaturas o se fabrica mtegramente de un material resistente al desgaste y a las temperaturas. En caso de desgaste u oxidacion de la pieza insertada 10 es posible sustituir con facilidad los segmentos “manejables”. Existe ademas la posibilidad de reducir, gracias a los materiales capaces de soportar temperaturas elevadas en la hendidura 5, el porcentaje de aire de refrigeracion empleado para el barrido de la hendidura 5, incrementando asf la eficacia de la turbina 3 o de la turbomaquina 1. Una capa de proteccion contra el desgaste resistente a la oxidacion puede consistir, por ejemplo, en un revestimiento de carburo de cromo. Un revestimiento de carburo de cromo de este tipo ofrece la ventaja de que la pieza insertada 11 se puede fabricar de un material similar al del elemento de soporte 7, con lo que tanto la pieza insertada 10 como el elemento de soporte 7 presentan un comportamiento termico practicamente identico, lo que resulta especialmente ventajoso para realizar las hendiduras entre los distintos segmentos lo mas pequenas posible. La eleccion de materiales tiene generalmente sus lfmites, emparejandose por este motivo generalmente materiales que, por una parte, presentan un desgaste y una oxidacion mmimos y, por otra parte, un comportamiento termico similar al del elemento de soporte 7.
La figura 3 muestra una seccion longitudinal en la zona de una hendidura 5 entre una primera camara de combustion y una turbina de alta presion. La pieza insertada 10 intercambiable se fija en un elemento de soporte exterior 7' mediante un elemento de fijacion 12. Al mismo tiempo la pieza insertada 10 engrana en un rebaje 11 configurado en el elemento de soporte exterior 7' y se ajusta con la cara 16 alejada de la hendidura a un elemento de revestimiento exterior 8'. Con otra cara 17 la pieza insertada 10 intercambiable se ajusta a un soporte de alabes de turbina 18. La pieza insertada 10 cierra la hendidura 5 segun la figura 3 de manera que un gas caliente, que pudiera penetrar eventualmente desde el exterior, no pueda llegar al elemento de soporte exterior 7' y/o al soporte de alabes de turbina 18, protegiendolo de este modo contra la oxidacion. Como es logico, la pieza insertada 10 tambien se puede disponer en una hendidura 5 entre una segunda camara de combustion y una turbina de baja presion situada mas abajo (comparese figura 4).
Como se puede ver en la figura 4, la junta 6 se dispone en un escalon axial abierto 13 en la pieza insertada 10, reteniendose la junta 6 axialmente en el escalon 13 a traves de elementos de sujecion 14 desmontables. Por lo tanto, la pieza insertada 10 soporta la junta 6 configurada, por ejemplo, como junta de membrana. La junta 6 puede presentar, al igual que la pieza insertada 10, varios segmentos de cfrculo o dos anillos semicirculares que se solapan en direccion perimetral. El elemento de fijacion 12 tensa el elemento de sujecion 14 respecto a la pieza insertada 10 o el elemento de soporte 7 evitando asf un desplazamiento axial de la junta 6. Cada elemento de sujecion 14 se dispone respectivamente en una escotadura 19 (comparese figura 2) que al menos reduce el grosor de la pieza insertada 10 en direccion de flujo 4. Por medio de la escotadura 19 se determina previamente la posicion del respectivo elemento de sujecion 14 dispuesto en la misma, con lo que se simplifica el montaje de los elementos de sujecion 14.
Se preve que cada segmento de cfrculo y/o cada anillo semicircular de la junta 6 se fije al menos en un punto de la pieza insertada 10 en direccion perimetral. Al utilizar dos membranas de obturacion configuradas en forma de anillos semicirculares, estas se fijan preferiblemente en sendos puntos del elemento de soporte 7 correspondientes a las 12 horas y a las 6 horas. En cada punto de fijacion la junta 6 se sujeta en direccion perimetral por medio de una espiga
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posicionadora 15, siendo ademas posible una holgura radial para poder absorber las dilataciones debidas a las temperaturas sin sufrir danos.
Gracias a la solucion segun la invencion se crea una proteccion contra la oxidacion facil de cambiar y, por lo tanto, economica para una cara frontal del elemento de soporte 7 situada en una hendidura 5, con lo que se consigue, por una parte, una reduccion de los gastos de mantenimiento y de los tiempos de parada de la turbomaquina 1 y, por otra parte, una corriente de aire de refrigeracion con la que se barre la hendidura 5, lo que influye positivamente en la eficacia de la turbomaquina 1. La pieza insertada 10 se puede fabricar opcionalmente y por completo de un material resistente a la oxidacion y a las temperaturas o presentar un revestimiento resistente a la oxidacion o a las temperaturas, mientras que el nucleo de la pieza insertada 10 se configura del mismo material que el elemento de soporte 7, 7', con lo que se puede conseguir un comportamiento de temperatura practicamente identico entre la pieza insertada 10 y el elemento de soporte 7, 7', lo que conlleva un efecto positivo en lo que se refiere a posibles amplitudes de hendidura que se pudieran producir. La pieza insertada 10 esta dotada ademas de la junta 6 que se puede configurar, por ejemplo, en forma de junta de membrana. Debido a la configuracion en forma de segmento de cfrculo o de anillo semicircular de la pieza insertada 10 o de la junta 6 se obtiene un manejo especialmente favorable tanto de la junta 6 como de la pieza insertada 10, por lo que se pueden reducir el trabajo de mantenimiento y el coste del mismo. Tambien es posible que solo se sustituyan las piezas que tengan que ser cambiadas a causa de la oxidacion o erosion, mientras que los demas segmentos de la junta o segmentos de la pieza insertada, que no presenten danos importantes, pueden permanecer en el elemento de soporte 7. De esta manera se pueden evitar eficazmente los cambios completos del elemento de soporte 7, que antes siempre eran necesarios, asf como los largos tiempos de parada y elevados costes de mantenimiento o sustitucion. Al mismo tiempo se puede reducir la corriente de aire de refrigeracion para la refrigeracion de la hendidura 5, con lo que aumenta el rendimiento de la turbomaquina 1.
Lista de referencias
1 Turbomaquina
2 Camara de combustion
3 Turbina
4 Direccion de flujo
5 Hendidura
6 Junta
7 Elemento de soporte
7' Elemento de soporte exterior
8 Elemento de revestimiento
8' Elemento de revestimiento exterior
9 Alabe de la turbina
10 Pieza insertada
11 Rebaje
12 Elemento de fijacion
13 Escalon axial abierto en la pieza insertada 10
14 Elementos de sujecion
15 Espiga posicionadora
16 Una cara alejada de la hendidura 5 de la pieza insertada 10
17 Una cara orientada hacia el soporte de alabes de turbina 18 de la pieza insertada 10
18 Soporte de alabes de turbina
19 Escotadura

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Turbomaquina (1), especialmente una turbina de gas, con al menos una camara de combustion (2) y al menos una turbina (3) situada mas abajo,
    - presentando la camara de combustion (2) al menos un elemento de soporte (7) y un elemento de revestimiento (8) unido al mismo y configurado como elemento de proteccion contra el calor,
    - configurandose entre la camara de combustion (2) y la turbina (3) situada mas abajo una hendidura (5) obturada por medio de una junta (6), en la que se dispone, por la cara frontal del elemento de soporte (7), una pieza insertada (10) intercambiable que esta dotada de la junta (6) y que protege al elemento de soporte (7) contra gases calientes,
    caracterizada por que la pieza insertada (10) intercambiable se fabrica de un material mas resistente a la oxidacion que el del elemento de soporte (7) o se recubre de un material de estas caractensticas.
  2. 2. Turbomaquina segun la reivindicacion 1, caracterizada por que
    - la pieza insertada (10) intercambiable esta formada por varios segmentos de cfrculo o por dos anillos semicirculares y/o
    - la pieza insertada (10) intercambiable engrana en un rebaje (11) practicado por el lado del elemento de soporte y/o se retiene en la cara frontal del elemento de soporte (7) a traves de al menos un elemento de fijacion (12).
  3. 3. Turbomaquina segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizada por que la pieza insertada (10) intercambiable presenta un revestimiento resistente al desgaste y a las temperaturas.
  4. 4. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que
    - la pieza insertada (10) se dispone en la hendidura (5) entre una primera camara de combustion y una turbina (3) situada mas abajo y/o
    - la pieza insertada (10) se dispone en la hendidura (5) entre una segunda camara de combustion y una turbina (3) situada mas abajo.
  5. 5. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que
    - la pieza insertada (10) esta dotada de la junta (6) y/o
    - la junta (6) se configura en forma de junta de membrana.
  6. 6. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que la junta (6) presenta varios segmentos de cfrculo o dos anillos semicirculares, solapandose los dos anillos semicirculares en direccion perimetral.
  7. 7. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que
    - la junta (6) se dispone en un escalon axial abierto (13) de la pieza insertada (10) y/o
    - la junta (6) se retiene en el escalon (13) a traves de elementos de sujecion (14) desmontables.
  8. 8. Turbomaquina segun una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que cada segmento de cfrculo y/o cada anillo semicircular de la junta (6) se fija en al menos un punto de la pieza insertada (10).
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