ES2621658T3

ES2621658T3 - Disposición conductora de corriente para la refrigeración de la carcasa de turbina de baja presión de un motor a reacción de turbina de gas

Info

Publication number: ES2621658T3
Application number: ES12179768.2T
Authority: ES
Inventors: Manfred Feldmann; Norbert Schinko; Christian Eichler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: EP2696040A1; US9194331B2; EP2696040B1; US20140041360A1

Abstract

Motor a reacción de turbina de gas con un canal de corriente principal (20) y una estructura de carcasa (22) que envuelve radialmente a este canal de corriente principal, en el cual fluye una corriente de gas de la carcasa en la misma dirección que la corriente principal en el canal de corriente principal, en donde la estructura de carcasa presenta una disposición de conducción de corriente (25, 25') ajustable, con la cual puede ser ajustado el flujo de la corriente de gas de carcasa al y/o a lo largo del canal de corriente principal, en donde la disposición de conducción de corriente (25) comprende al menos una chapa de conducción de corriente (26), la cual divide la corriente de gas de la carcasa en al menos dos corrientes parciales, en donde una corriente parcial discurre cerca del canal de corriente principal y otra corriente parcial lejana del canal de corriente principal, caracterizado por que la chapa de conducción de corriente (26, 26') está configurada ajustable para el ajuste variable de corrientes parciales y/o presenta aberturas cerradizas variables.

Description

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DESCRIPCION

Disposicion conductora de corriente para la refrigeracion de la carcasa de turbina de baja presion de un motor a reaccion de turbina de gas

Antecedentes de la invencion

Ambito de la invencion

La presente invencion se refiere a un motor a reaccion de turbina de gas con un canal de corriente principal y una estructura de carcasa que envuelve radialmente este canal de corriente principal, en el cual una corriente de gas de la carcasa pasa en la misma direccion que la corriente principal en el canal de corriente principal.

Estado de la tecnica

En motores a reaccion de turbinas de gas deben ser refrigerados componentes de la carcasa para llevar los componentes de la carcasa a una temperatura compatible para la carcasa, puesto que la carcasa se somete a altas temperatures a causa de los procesos de combustion en la camara de combustion y los gases de combustion calientes resultantes de ello. Aparte de esto, la refrigeracion de los componentes de la carcasa tambien se utiliza, por ejemplo, para ajustar el tamano de las ranuras entre los alabes de rodete de turbina de la turbina de baja presion y una estructura estanca dispuesta en una estructura de carcasa, el asf llamado "outer air seal". El ajuste de esta ranura entre los alabes de rodete de turbina y la estructura estanca en la carcasa influye en el rendimiento de la turbina de baja presion y es diferente segun la carga del mecanismo de accionamiento, puesto que con diferente carga del mecanismo de accionamiento, las temperaturas y las fuerzas centnfugas que se manifiestan en los alabes de rodete de turbina y, por lo tanto, pueden variar las correspondientes dimensiones. Por este motivo, ya es conocido utilizar un control de ranura radial activo, un asf llamado "active clearence control (ACC)", en el cual se extrae aire de refrigeracion en un motor a reaccion de turbina de gas con construccion de corriente doble de varios arboles a partir de una corriente de derivacion o corriente secundaria, la cual se genera mediante un soplador frontal, o bien un ventilador, el cual se orienta a traves de correspondientes conductos y aberturas en la estructura de carcasa entre la corriente secundaria y la corriente principal, en la pared interior de la estructura de carcasa dispuesta en la corriente principal en la zona de la turbina de baja presion.

Asf, el documento DE 35 409 43 A1 muestra un motor a reaccion de turbina de gas representado en la Fig. 1, el cual, segun el orden -de izquierda a derecha- se compone de un soplador frontal 1, un compresor de alta presion 2, una camara de combustion anular 3, asf como una turbina de accionamiento 4 del compresor de alta presion, el cual esta acoplado aero-termodinamicamente a un turbina de baja presion 5 para el accionamiento del soplador frontal 1.

En este caso, el soplador frontal 1 esta acoplado con la turbina de baja presion 5 a traves de un sistema rotor 6 comun. En la parte generadora de alta presion o de gas, el compresor de alta presion 2 y la correspondiente turbina de accionamiento 4 de compresor estan acoplados el uno con el otro a traves de un sistema rotor 7 comun. El sistema rotor 7 reviste, en este caso, en ejecucion coaxial, una parte del sistema rotor 6. La parte fundamental de la corriente de aire (corriente de aire de la envolvente o secundaria S) extrafda por el soplador frontal 1, se extrae para la generacion de movimiento de avance en el canal secundario 8 del mecanismo de accionamiento, un parte S' restante de la corriente de aire extrafda del soplador frontal 8 llega al compresor de alta presion 2 del generador de gas. La corriente de gas caliente que se escapa de la turbina de baja presion 5 se utiliza, igualmente, para la generacion de movimiento de avance.

Normalmente, en un mecanismo de accionamiento de este tipo deben ser refrigerados componentes de turbina esenciales con el fin de controlar las temperaturas de gas caliente. Por lo tanto, tendnan la capacidad de ser refrigerados, por ejemplo, los alabes directores de entrada de la turbina de alta presion 4, ademas, por ejemplo los alabes de rodete de la turbina de alta presion 4 como, dado el caso, sin embargo tambien, p. ej., los alabes directores del segundo grado de la turbina de alta presion 4. El aire de compresor a ser utilizado para los mencionados casos de refrigeracion de la turbina de alta presion 4, puede ser extrafdo en uno o varios lugares adecuados del compresor de alta presion 2 y, p. ej., a traves del correspondiente sistema rotor 7 interno ser suministrado a la correspondiente finalidad de uso. Es conocido solicitar con aire de refrigeracion, el cual se extrae del canal secundario del mecanismo de accionamiento, las correspondientes estructuras de carcasa 9 o bien 10 anulares de turbinas de alta presion y de baja presion 4, o bien 5, a traves de sistemas de tubos multiples relativamente aparatosos y complicados.

En el mecanismo de accionamiento de la Fig. 1, ademas, para la refrigeracion de elementos de turbina y la optimizacion de ranuras de alabe, se extrae de la corriente secundaria una porcion de aire secundario retirada de la corriente de derivacion a traves de aberturas 11 en la pared 12 del canal secundario 8, dispuestas en proximidad directa de la correspondiente estructura de carcasa de turbina (aqrn, p. ej., de la turbina de baja presion 5), y se expulsa por soplado en el recorrido de una refrigeracion de impacto (flecha F) contra la estructura de carcasa de turbina 10. Soluciones similares tambien son conocidas por el documento WO 92/11444 A1 y el documento GB 2 078 859 A.

No obstante, mediante la extraccion de aire de la corriente de derivacion se llega a perdidas de rendimiento. Aparte

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de esto, se necesitan conductos adicionales para conducir el aire de la corriente de derivacion a la carcasa de turbina de baja presion. Esto tiene de nuevo como consecuencia que el mecanismo de accionamiento presente un mayor peso.

Por el documento US 3 975 901 A1 es conocida una construccion, en la cual fluye una corriente de aire mas fna por la carcasa que envuelve al canal de corriente principal y se mezcla con aire caliente separado de la corriente principal mediante una compuerta automatica controlada por calor para lograr un enfriamiento adecuado. En este caso, mediante la extraccion de aire de la corriente principal se llega, igualmente, a perdidas de rendimiento.

Descripcion de la invencion

Mision de la invencion

Por lo tanto, es mision de la presente invencion prever una posibilidad para la refrigeracion de estructuras de carcasa y, en particular, de la carcasa de turbina de baja presion de un motor a reaccion de turbina de gas, la cual no presente las desventajas del estado de la tecnica o al menos las reduzca. En particular, debe hacerse posible de manera sencilla un enfriamiento efectivo de zonas de carcasa en el canal de corriente principal y, en particular de la carcasa de una turbina de baja presion.

Solucion tecnica

Esta mision se resuelve mediante un motor a reaccion de turbina de gas con las caractensticas de la reivindicacion 1. Configuraciones ventajosas son objeto de las reivindicaciones dependientes.

La presente invencion se basa en la idea de que para la refrigeracion de las zonas de carcasa en el canal de corriente principal de un motor a reaccion de turbina de gas y, en particular, de una carcasa de turbina de baja presion, tambien puede ser utilizada una asf llamada corriente de gas de carcasa, o bien "vent flow" (flujo de ventilacion), en la estructura de carcasa que envuelve al canal de corriente principal, si esta prevista una disposicion de conduccion de corriente, con la cual se puede regular la corriente de gas de carcasa al y/o a lo largo del canal de corriente principal, de manera que se controla el aire, o bien la corriente de gas, que ya se encuentra en la estructura de carcasa y se utiliza con el fin de refrigerar correspondientes zonas de la estructura de carcasa, como por ejemplo las zonas de pared adyacentes al canal de corriente principal, preferiblemente de la carcasa de turbina de baja presion. De manera correspondiente, se puede prescindir de la extraccion separada de aire de refrigeracion de la corriente de derivacion o bien corriente secundaria, lo cual tiene como consecuencia una mejora del rendimiento. Ademas, no deben ser previstos conductos aparatosos para la conduccion de aire de refrigeracion de la corriente doble.

La disposicion de conduccion de corriente puede, en este caso, comprender al menos una chapa conductora de corriente, la cual divide la corriente de gas de carcasa en al menos dos corrientes parciales, de manera que una corriente parcial cerca del canal de corriente principal puede ser conducida en la estructura de carcasa y la otra corriente parcial alejada del canal de corriente principal discurre en la estructura de carcasa. De esta manera, es posible que mediante division apropiada de la corriente de gas de carcasa en al menos dos o mas corrientes parciales, las cuales pueden ser conducidas a diferentes zonas de la estructura de carcasa, se logre un correspondiente efecto refrigerante en los lugares deseados de la estructura de carcasa.

Para ello, los canales de corriente parcial pueden estar configurados cerradizos y/o estrangulables, de manera que la velocidad de la corriente en los canales de corriente parcial es alterable y/o en caso de un cierre ninguna corriente de gas de carcasa se conduce en el canal de corriente parcial.

Adicionalmente, o de manera alternativa, la chapa de conduccion de corriente puede estar configurada regulable para el ajuste variable de las corrientes parciales, y/o presentar varias aberturas cerradizas de manera variable, de manera que junto con la variacion de la velocidad de la corriente en los canales de corriente parcial tambien es regulable la cantidad de corriente de gas por los canales de corriente parcial. Tambien, en consecuencia, se puede influir sobre el correspondiente efecto refrigerante.

La disposicion de conduccion de corriente para el ajuste de la corriente de gas y/o el cierre de aberturas, puede presentar valvulas y/o valvulas de estrangulacion.

La corriente de gas de carcasa puede ser controlada y/o regulada por medio de la disposicion de conduccion de corriente, de manera que se pueden lograr diferentes efectos refrigerantes en determinadas lugares de la estructura de carcasa. Para ello, puede estar previsto un control y/o una regulacion, el cual puede controlar en sus ajustes los diferentes componentes de la disposicion de conduccion de corriente como, por ejemplo, valvulas, valvulas de estrangulacion, chapas de conduccion de corriente y semejantes.

Mediante el reacoplamiento de parametros determinados como, por ejemplo, de temperaturas en determinadas zonas de la estructura de carcasa, se puede llevar a cabo un ajuste, con el cual se divide y/o distribuye de manera automatizada la corriente de gas de la carcasa, de manera que se ajusta el efecto refrigerante deseado y, en particular, el ajuste de una ranura radial deseada entre los alabes de turbina de la turbina de baja presion y la

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carcasa de turna de baja presion, o bien una estructura estanca dispuesta en ella.

La presente invencion con una disposicion de conduccion de corriente en la estructura de carcasa, la cual envuelve un canal de corriente principal, puede llevarse a cabo tanto en motores a reaccion de turbina de gas con construccion de corriente doble como tambien con construccion de corriente simple, por lo tanto, sin canal secundario.

Breve descripcion de las figuras

Los dibujos adjuntos muestran de manera puramente esquematica en

la Fig. 1 una seccion axial parcial de un motor a reaccion de turbina de gas segun el estado de la tecnica;

la Fig. 2 una vista en seccion parcial de un motor a reaccion de turbina de gas de acuerdo con la invencion; y

la Fig. 3 una vista en seccion por un ejemplo de realizacion adicional de un motor a reaccion de turbina de gas de acuerdo con la invencion.

Ejemplos de realizacion

Otras ventajas, rasgos y caractensticas de la presente invencion se aclaran con la siguiente descripcion detallada de ejemplos de realizacion mediante los dibujos adjuntos. No obstante, la invencion no esta limitada a estos ejemplos de realizacion.

La figura 2 muestra una seccion axial parcial por un motor a reaccion de turbina de gas de acuerdo con la invencion en la zona de la turbina de baja presion 21. El canal de corriente principal 20, en el cual los gases de combustion pasan en direccion de la turbina de baja presion 21, este representado solo parcialmente.

El canal de corriente principal 20 es envuelto coaxialmente por una estructura de carcasa 22, la cual delimita el canal de corriente principal. Aparte de esto, el motor a reaccion de turbina de gas representado parcialmente en la figura 2, similar al motor a reaccion de turbina de gas de la figura 1, presenta un canal de corriente de derivacion 23, en el cual fluye una corriente de aire generada por un soplador frontal para la generacion de movimiento de avance. El canal de corriente de derivacion 23 es delimitado, por un lado, por la estructura de carcasa 22 y, por otro lado, por una carcasa exterior 24.

En la estructura de carcasa 22, la cual se encuentra entre el canal de corriente principal 20 y el canal de corriente de derivacion 23, fluye una asf llama corriente de gas de la carcasa, la cual en ingles tambien se designa como "vent flow" y la cual presenta los requerimientos de ventilacion de la estructura de carcasa 22.

Como muestra la figura 2, la estructura de carcasa 22 en la zona de la turbina de baja presion presenta una disposicion de conduccion de corriente 25, la cual comprende, esencialmente, una chapa de conduccion de corriente 26 y valvulas de estrangulacion, o bien valvulas 27, 28.

Por medio de la chapa de conduccion de corriente 26, la corriente de gas de carcasa se divide en dos corrientes parciales, a saber, una corriente parcial, la cual discurre en la cercama del canal de corriente principal 20 y una corriente parcial, la cual discurre alejada del canal de corriente principal 20.

La chapa de conduccion de corriente 26 es ajustable, a saber, por ejemplo pivotable, basculable o desplazable, de manera que la seccion transversal de corriente puede ser ajustada de manera diferente para las corrientes parciales de la corriente de gas de la carcasa. De esta manera, se puede ajustar la masa de gas, la cual fluye en una corriente parcial o en la otra corriente parcial y, con ello, influir sobre la transferencia de calor. Mediante las diferentes condiciones de la corriente, tambien se pueden regular los ajustes de frio para la pared exterior del canal de corriente principal 20, o bien los componentes dispuestos, por lo tanto, por ejemplo dentro de la turbina de baja presion 21. Mediante el correspondiente ajuste de la refrigeracion a traves de la division de la corriente de gas principal, tambien puede ser regulado un ajuste de una ranura entre los alabes de turbina de baja presion y una estructura estanca, o bien revestimiento de entrada (no representado), prevista en la estructura de carcasa 22.

La chapa de conduccion de corriente 26 tambien puede estar configurada fija, influyendo entonces las valvulas de estrangulacion o valvulas 27, 28 sobre la circulacion, o bien mediante su ajuste la circulacion puede ser ajustada con respecto al caudal.

Mediante la estrangulacion de las corrientes parciales, o bien el cierre de los canales de corriente parcial individuales a traves de valvulas de estrangulacion, o bien valvulas 27, 28, los canales de corriente parcial tambien pueden ser cerrados completamente. La corriente de gas de la carcasa, tras pasar por los canales de corriente parcial, abandona a traves de las aberturas 29 la estructura de carcasa 22 en direccion a la corriente doble 23.

En relacion con la disposicion de conduccion de corriente 25, puede estar previsto un control y/o regulacion, la cual por medio de parametros registrados, como por ejemplo temperaturas en la estructura de carcasa 22, realiza el ajuste de la disposicion de conduccion de corriente para provocar el efecto refrigerante deseado.

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La figura 3 muestra otra forma de realizacion de un motor a reaccion de turbina de gas de acuerdo con la presente invencion, en donde componentes identicos o equiparables estan provistos de los mismos s^bolos de referencia, como en la figura 2. De manera correspondiente, tambien se prescinde de una descripcion renovada de estos componentes.

La disposicion de conduccion de corriente 25' prevista en la forma de realizacion de la figura 3, por el contrario, se diferencia de la disposicion de conduccion de corriente 25 de la forma de realizacion de la figura 2, en que la chapa de conduccion de corriente 26' alli prevista no es ajustable, sin embargo, presenta varias aberturas 30 con valvulas y/o valvulas de estrangulacion, de manera que del canal de corriente delimitado por la chapa de conduccion de corriente 26' para la corriente de gas de la carcasa, segun el ajuste de las valvulas de estrangulacion y/o valvulas en las aberturas 30, puede escaparse mas o menos corriente de gas, de modo que mediante el grado del escape y/o de la velocidad de circulacion en el canal de corriente, puede ser ajustado el efecto refrigerante en la turbina de baja presion 21. Para ello tambien sirve una valvula de estrangulacion, o bien una valvula 31 en la abertura de salida del canal de corriente delimitado por la chapa de conduccion de corriente 26'. La corriente de gas de carcasa abandona de nuevo, como en la forma de realizacion de la figura 2, la estructura de carcasa 22 a traves de la abertura 29 de la estructura de carcasa 22.

Tambien en la forma de realizacion de la figura 3, con un correspondiente dispositivo de control o de regulacion, puede, por lo tanto, ser ajustada la refrigeracion de la pared exterior del canal de corriente principal 20 y, en particular, de la zona de la turbina de baja presion, y, por lo tanto, se realiza el ajuste de una ranura entre los alabes de rodete de la turbina de baja presion y una estructura estanca, el asf llamado "outer air seal".

A pesar de que la presente invencion ha sido descrita detalladamente mediante los ejemplos de realizacion, para el tecnico en la especialidad es obvio que la invencion no esta limitada a estos ejemplos de realizacion, sino que son posibles muchas variaciones en la manera, que omiten caractensticas individuales o llevan a cabo otro tipo de combinaciones de caractensticas, mientras que no se abandone el alcance de proteccion de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Motor a reaccion de turbina de gas con un canal de corriente principal (20) y una estructura de carcasa (22) que envuelve radialmente a este canal de corriente principal, en el cual fluye una corriente de gas de la carcasa en la misma direccion que la corriente principal en el canal de corriente principal, en donde la estructura de carcasa presenta una disposicion de conduccion de corriente (25, 25') ajustable, con la cual puede ser ajustado el flujo de la corriente de gas de carcasa al y/o a lo largo del canal de corriente principal, en donde la disposicion de conduccion de corriente (25) comprende al menos una chapa de conduccion de corriente (26), la cual divide la corriente de gas de la carcasa en al menos dos corrientes parciales, en donde una corriente parcial discurre cerca del canal de corriente principal y otra corriente parcial lejana del canal de corriente principal, caracterizado por que la chapa de conduccion de corriente (26, 26') esta configurada ajustable para el ajuste variable de corrientes parciales y/o presenta aberturas cerradizas variables.
2. Motor a reaccion de turbina de gas segun la reivindicacion 2, caracterizado por que los canales de corriente parcial estan configurados cerradizos y/o estrangulables.
3. Motor a reaccion de turbina de gas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la disposicion de conduccion de corriente (25, 25') presenta valvulas y/o valvulas de estrangulacion para el cierre de aberturas y/o ajuste de la corriente de gas.
4. Motor a reaccion de turbina de gas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que esta previsto un control y/o regulacion, el cual controla y/o regula la corriente de gas de la carcasa por medio de la disposicion de conduccion de corriente.
5. Motor a reaccion de turbina de gas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la disposicion de conduccion de aire esta dispuesta en la zona de la turbina de baja presion (21).
6. Motor a reaccion de turbina de gas segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el motor a reaccion de turbina de gas presenta un canal de corriente de derivacion (23) que se encuentra radialmente fuera con una carcasa exterior (24), de manera que la estructura de carcasa con la disposicion de conduccion de corriente esta dispuesta entre el canal de corriente de derivacion y el canal de corriente principal.