Álabe de guía para una turbina de gas y turbina de gas con un álabe de guía de esta clase.

Álabe de guía (20) para una turbina de gas (10), cuyo álabe de guía (20) presenta una pala de álabe

(22) que se extiende en dirección radial entre una cabeza de álabe (23) y una placa de cubierta (21) y en cuyo interior están previstos tres canales de refrigeración (30, 31, 32) que discurren en dirección radial y que están dispuestos uno tras otro en la dirección de la corriente de gas caliente (45) y están unidos uno con otro por unos elementos de desviación (33, 34) dispuestos en los extremos de la pala de álabe (22) de modo que el refrigerante circula sucesivamente por los tres canales de refrigeración (30, 31, 32) en dirección cambiante y a continuación sale del álabe de guía (20) y entra en la corriente de gas caliente (45) que circula por la turbina, presentando la pala de álabe (22) en dirección radial una forma fuertemente curvada en el espacio, siguiendo los canales de refrigeración (31, 32, 33) en dirección radial a la curvatura de la pala de álabe (22) en el espacio, caracterizado por que los tres canales de refrigeración (31, 32, 33) presentan a la mitad de la altura del álabe de guía (20) unas superficies de sección transversal (Am1, Am2, Am3) que están en una relación de 1:2:1, y por que el tercer canal de refrigeración (32) presenta una superficie de tres de sección transversal que disminuye de fuera a dentro en dirección radial, siendo la tasa de disminución de la superficie de sección transversal de fuera a dentro más pequeña en el primer 70% de la longitud del canal que en el último 30%.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/052897.

Solicitante: ALSTOM TECHNOLOGY LTD.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: BROWN BOVERI STRASSE 7 5400 BADEN SUIZA.

Inventor/es: NAIK,SHAILENDRA, DÜCKERSHOFF,ROLAND, SCHNIEDER,MARTIN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Alabes; Organos de soporte de álabes (alojamiento... > F01D5/18 (Alabes huecos; Dispositivos de calentamiento, aislamiento térmico o enfriamiento de los álabes)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN... > MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO,... > Estatores (aspectos distintos del de guiado del fluido... > F01D9/04 (formando un anillo o sector)

PDF original: ES-2542064_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Álabe de guía para una turbina de gas y turbina de gas con un álabe de guía de esta clase.

Campo técnico

La presente invención se refiere al sector de las turbinas de gas. Concierne a un álabe de guía para una turbina de gas según el preámbulo de la reivindicación 1. 5

Estado de la técnica

Las turbinas de gas estacionarias grandes con combustión secuencial han dado buenos resultados en su utilización industrial. En estas turbinas de gas están dispuestas una tras otra en la dirección de flujo dos cámaras de combustión y sendas turbinas asociadas que son solicitadas con el gas caliente generado en la respectiva cámara de combustión. Tales turbinas de gas, que se ofrecen, por ejemplo, por la solicitante bajo la denominación de tipo 10 GT24/26, se describen, por ejemplo, en el trabajo de Joos F. et al., "Field experience with the sequential combustion system of the GT24/26 gas turbine family", ABB Review 5/1998, páginas 12-20 (1998) . La figura 1 de dicho trabajo se ha reproducido como figura 1 en la presente solicitud. Otra descripción de una turbina de gas de esta clase se desprende también del documento EP-B1-0 620 362.

La figura 1 muestra una turbina de gas de 10 con combustión secuencial, en la que están dispuestos en serie a lo 15 largo de un eje 19 un compresor 11, una primera cámara de combustión 14, una turbina de alta presión 15, una segunda cámara de combustión 17 y una turbina de baja presión 18. Sucintamente, esta turbina de gas puede explicarse como sigue: El compresor 11 y las dos turbinas 15 (HD) , 18 (ND) son parte de un rotor que gira alrededor del eje 19. El compresor 11 comprime el aire aspirado, pasando este aire comprimido después a una cámara impelente y desde allí a la primera cámara de combustión. Esta cámara de combustión se hace funcionar con 20 quemadores de premezcla, como los que se desprenden, por ejemplo, del documento EP-A1-0 321 809 y también del documento EP-A2-0 704 657. El aire comprimido entra en los quemadores de premezcla, en donde tiene lugar el mezclado con al menos un combustible. Esta mezcla de combustible/aire entra después en la primera cámara de combustión 14, en la que entra en combustión esta mezcla formando un frente de llama estable. El gas caliente así obtenido se expande parcialmente en la turbina de alta presión subsiguiente 15 con producción de trabajo y luego 25 entra en la segunda cámara de combustión 17, en donde tiene lugar una alimentación de combustible adicional 16. Debido a las altas temperaturas que presenta todavía el gas caliente parcialmente expandido en la turbina de alta presión 15, tiene lugar en la segunda cámara de combustión 17 una combustión que se basa en un autoencendido. El gas caliente recalentado en la segunda cámara de combustión 17 se expande después en una turbina de baja presión 18 de varias etapas en la que están dispuestas, alternándose una tras otra, filas de álabes constituidas por 30 álabes móviles y álabes de guía.

En la turbina de gas conocida de la figura 1 los álabes de guía 20' estén configurados como álabes rectos que se caracterizan por una refrigeración interna. El canto trasero es enfriado por el refrigerante utilizado, en la mayoría de los casos por aire refrigerante, siendo descargado entonces este aire refrigerante al menos parcialmente a través de agujeros perforados en el canto trasero del álabe, No obstante, debido al trazado recto del álabe de guía y a la 35 refrigeración ajustada al mismo por medio de un inserto de refrigeración por deflexión se producen limitaciones en el rendimiento, cuya superación aportaría ventajas al diseño de la turbina de gas.

El documento US 5 488 825 revela un álabe de guía refrigerado de carácter genérico que presenta en dirección radial una forma fuertemente curvada en el espacio, siguiendo los canales de refrigeración en dirección radial a la curvatura del álabe de guía. Sin embargo, se deberá optimizar la refrigeración en mayor medida. 40

Exposición de la invención

La invención pretende aportar remedios a esta situación. Por tanto, el problema de la invención consiste en crear un álabe de guía que supere las limitaciones de los álabes de guía conocidos y haga posible un aumento el rendimiento de la turbina de gas.

El problema se resuelve con la totalidad de las características de la reivindicación 1. Es esencial para la invención el 45 hecho de que la pala del álabe de guía presenta en dirección radial una forma también a veces fuertemente curvada en el espacio, en el interior de la pala del álabe están dispuestos uno tras otro en la dirección de la corriente de gas caliente tres canales de refrigeración que discurren en dirección radial y estos están unidos uno con otro por zonas de desviación dispuestos en los extremos de la pala del álabe de modo que el refrigerante circula sucesivamente en dirección alterna por los canales de refrigeración, y los canales de refrigeración siguen en dirección radial a la 50 curvatura de la pala del álabe en el espacio. Gracias a la forma fuertemente curvada de la pala del álabe se mejora netamente la interacción con la corriente de gas caliente de la turbina de gas. La configuración de los canales de refrigeración siguiendo a la forma exterior de la pala del álabe hace posible entonces una refrigeración mejorada de los sectores térmicamente muy solicitados del álabe de guía.

Una ejecución de la invención se caracteriza por que la entrada del primer canal de refrigeración está unida con el espacio exterior situado por encima de la placa de cubierta a través de una entrada de aire refrigerante que se extiende a través de la placa de cubierta, y por que en la zona de la entrada de aire refrigerante está dispuesto un elemento de estrangulación para estrangular la corriente másica de refrigerante que circula por la entrada del aire refrigerante. La estrangulación del lado de entrada de la corriente de refrigerante que circula por el álabe por medio 5 de un elemento de estrangulación autónomo hace posible el ajuste preciso de la corriente de refrigeración y evita así perdidas innecesarias que repercutan negativamente sobre el rendimiento.

Preferiblemente, el elemento de estrangulación presenta la forma de una placa provista de una o varias aberturas, cerrando el elemento de estrangulación el acceso a la entrada de aire refrigerante, y estando el elemento de estrangulación soldado en la placa de cubierta. Este elemento de estrangulación queda conectado a la placa de 10 cubierta. Se obtiene así una capacidad de ajuste simplificado de la corriente de refrigeración.

Otra ejecución se caracteriza por que el final del primer canal de refrigeración está unido con el principio del segundo canal de refrigeración por medio de una zona de desviación, y por que la superficie de la sección transversal en la entrada del segundo canal de refrigeración es mayor que la superficie de la sección transversal en la salida del primer canal de refrigeración, ascendiendo preferiblemente a alrededor de 1, 6 la relación de la 15 superficie de la sección transversal en la entrada del segundo canal de refrigeración a la superficie de la sección transversal en la salida del primer canal de refrigeración.

Según otra ejecución de la invención, el final del segundo canal de refrigeración está unido con el principio del tercer canal de refrigeración por medio de una segunda zona de desviación, estando previsto en la segunda zona de desviación un dispositivo de estrangulación para la toma controlada de refrigerante para la refrigeración de la placa 20 de cubierta y una parte del canto trasero del álabe, y siendo la superficie de la sección transversal en la entrada del tercer canal de refrigeración más pequeña que... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Álabe de guía (20) para una turbina de gas (10) , cuyo álabe de guía (20) presenta una pala de álabe (22) que se extiende en dirección radial entre una cabeza de álabe (23) y una placa de cubierta (21) y en cuyo interior están previstos tres canales de refrigeración (30, 31, 32) que discurren en dirección radial y que están dispuestos uno tras otro en la dirección de la corriente de gas caliente (45) y están unidos uno con otro por unos elementos de 5 desviación (33, 34) dispuestos en los extremos de la pala de álabe (22) de modo que el refrigerante circula sucesivamente por los tres canales de refrigeración (30, 31, 32) en dirección cambiante y a continuación sale del álabe de guía (20) y entra en la corriente de gas caliente (45) que circula por la turbina, presentando la pala de álabe (22) en dirección radial una forma fuertemente curvada en el espacio, siguiendo los canales de refrigeración (31, 32, 33) en dirección radial a la curvatura de la pala de álabe (22) en el espacio, caracterizado por que los tres canales 10 de refrigeración (31, 32, 33) presentan a la mitad de la altura del álabe de guía (20) unas superficies de sección transversal (Am1, Am2, Am3) que están en una relación de 1:2:1, y por que el tercer canal de refrigeración (32) presenta una superficie de tres de sección transversal que disminuye de fuera a dentro en dirección radial, siendo la tasa de disminución de la superficie de sección transversal de fuera a dentro más pequeña en el primer 70% de la longitud del canal que en el último 30%. 15

2. Álabe de guía según la reivindicación 1, caracterizado por que la entrada del primer canal de refrigeración (30) está unida con el espacio exterior situado por encima de la placa de cubierta (21) mediante una entrada de aire refrigerante (37) que se extiende a través de la placa de cubierta (21) , y por que en la zona de la entrada de aire refrigerante (37) está dispuesto un elemento de estrangulación (38) para estrangular la corriente másica de refrigerante que circula por la entrada de aire refrigerante (37) . 20

3. Álabe de guía según la reivindicación 2, caracterizado por que el elemento de estrangulación (38) presenta la forma de una placa provista de una o varias aberturas, por que el elemento de estrangulación cierra el acceso a la entrada de aire refrigerante (37) y por que el elemento de estrangulación (38) está soldado en la placa de cubierta (21) .

4. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el final del primer canal de 25 refrigeración (30) está unido con el principio del segundo canal de refrigeración (31) a través de una primera zona de desviación (33) y por que la superficie (Ab2) de la sección transversal en la entrada del segundo canal de refrigeración (31) es mayor que la superficie (Ab1) de la sección transversal en la salida del primer canal de refrigeración (30) .

5. Álabe de guía según la reivindicación 4, caracterizado por que la relación de la superficie (Ab2) de la sección 30 transversal en la entrada del segundo canal de refrigeración (31) a la superficie (Ab1) de la sección transversal en la salida del primer canal de refrigeración (30) asciende aproximadamente a 1, 6.

6. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el final del primer canal de refrigeración (31) está unido con el principio del tercer canal de refrigeración (32) a través de una segunda zona de desviación (34) , por que en la segunda zona de desviación (34) está previsto un dispositivo de estrangulación (39) 35 destinado a realizar una toma controlada de refrigerante para la refrigeración de la plataforma exterior (21) y una parte del canto trasero (28) , y por que la superficie (Ab4) de la sección transversal en la entrada del tercer canal de refrigeración (32) es más pequeña que la superficie (Ab3) de la sección transversal en la salida del segundo canal de refrigeración (31) .

7. Álabe de guía según la reivindicación 6, caracterizado por que la relación de la superficie (Ab4) de la sección 40 transversal en la entrada del tercer canal de refrigeración (32) a la superficie (Ab3) de la sección transversal en la salida del segundo canal de refrigeración (31) asciende aproximadamente a 0, 9.

8. Álabe de guía según la reivindicación 6 o 7, caracterizado por que el dispositivo de estrangulación (39) comprende varios nervios orientados transversalmente a la dirección de paso.

9. Álabe de guía según la reivindicación 4, caracterizado por que está dispuesto en la primera zona de desviación 45 (33) , para conducir el flujo, un elemento de desviación (35) de forma de arco que discurre desde el final del primer canal de refrigeración (30) hasta el principio del segundo canal de refrigeración (31) , y por que el elemento de desviación (35) subdivide la superficie (Ab1) de la sección transversal en la entrada del primer canal de refrigeración (30) y la superficie (Ab2) de la sección transversal en la salida del segundo canal de refrigeración (31) en dos superficies parciales de aproximadamente 33% y 66%, respectivamente, de la superficie total. 50

10. Álabe de guía según la reivindicación 5, caracterizado por que están dispuestos en la segunda zona de desviación (34) , para conducir el flujo, dos elementos de desviación (36) de forma de arco que discurren entre el centro de la segunda zona de desviación (34) y el principio del tercer canal de refrigeración (32) , y por que los elementos de desviación (36) subdividen la superficie (Ab5) de la sección transversal del centro de la segunda zona de desviación (34) en tres superficies parciales de aproximadamente un 33% de la superficie total cada una y 55 subdividen también la superficie (Ab4) de la sección transversal en la entrada del tercer canal de refrigeración (32)

en tres superficies parciales de aproximadamente 36%, 36% y 28% de la superficie total.

11. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la pala (22) del álabe se extiende en la dirección de flujo de la corriente de gas caliente (45) desde un canto delantero (27) hasta un canto trasero (28) , por que la pala (22) del álabe presenta un lado de impulsión (46) y un lado de aspiración, y por que en el lado de impulsión (46) está prevista delante del canto trasero (28) una hendidura de refrigeración (29) que discurre 5 paralelamente al canto trasero (28) y a través de la cual el refrigerante sale del tercer canal de refrigeración (32) por toda la longitud del álabe de guía (20) y refrigera el canto trasero (28) del álabe de guía (20) .

12. Álabe de guía según la reivindicación 11, caracterizado por que están previstos en la hendidura de refrigeración (29) unos elementos de control (40) distribuidos en dirección longitudinal para ajustar la corriente de refrigeración a través de dicha hendidura de refrigeración (29) . 10

13. Álabe de guía según la reivindicación 12, caracterizado por que los elementos de control (40) presentan al menos dos formas diferentes, especialmente una forma circular y una forma de gota, y están dispuestos una sola vez o alternándose varias vedes en dirección longitudinal.

14. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que en los canales de refrigeración (30, 31, 32) están dispuestos unos nervios turbulizadores (41, 42, 43) para mejorar la acción de 15 refrigeración.

15. Álabe de guía según la reivindicación 14, caracterizado por que los nervios turbulizadores (41, 42, 43) están dispuestos oblicuamente a la dirección de flujo en los canales de refrigeración (30, 31, 32) .

16. Álabe de guía según la reivindicación 14 o 15, caracterizado por que el primer canal de refrigeración (30) presenta una sección transversal triangular que termina en punta hacia el canto delantero (27) , el segundo canal de 20 refrigeración (31) presenta una sección transversal rectangular y el tercer canal de refrigeración presenta una sección transversal triangular que termina en punta hacia el canto trasero (28) , y por que los nervios turbulizadores (41, 43) en los canales de refrigeración primero y tercero (30, 32) se hacen más planos hacia el canto delantero (27) y el canto trasero (28) , respectivamente, y los nervios turbulizadores (42) en el segundo canal de refrigeración (31) presentan una altura constante. 25

17. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que en la hendidura de refrigeración (29) están previstas unas levas (44) distribuidas por la superficie para mejorar la transmisión del calor.

18. Álabe de guía según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado por que el álabe de guía (20) está destinado a una turbina de gas.

19. Turbina de gas con un álabe de guía (20) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizada por que 30 la turbina de gas funciona con una combustión secuencial y presenta dos cámaras de combustión (14, 17) dispuestas una tras otra en la dirección de flujo y dotadas de una respectiva turbina subsiguiente (15, 18) , y por que el álabe de guía (20) está dispuesto en la segunda turbina (18) .

20. Turbina de gas según la reivindicación 19, caracterizada por que en la segunda turbina (18) están previstas varias filas de álabes de guía y álabes móviles dispuestas una tras otra en la dirección de flujo, y por que los álabes 35 de guía (20) están dispuestos en una fila central de álabes de guía entre dos álabes móviles.