Álabe refrigerado para una turbina de gas y turbina de gas que comprende un tal álabe.

Un álabe refrigerado (10) para una turbina de gas, que comprende una superficie aerodinámica (11) que seextiende en una dirección radial de la turbina o en una dirección longitudinal del álabe (10),

respectivamente, entreuna plataforma (12) y una punta de álabe (14), está limitado transversalmente en la dirección longitudinal medianteun borde de ataque (15) y un borde de salida (16) y tiene un lado de succión (17) y un lado de presión (18), en elque en una zona del borde de salida (16) y transcurriendo paralelos al borde de salida (16) desde la plataforma (12)hacia arriba de la punta del álabe (14) en el interior de la superficie aerodinámica (11) hay un primer conducto derefrigeración (25), que se alimenta con un flujo de refrigerante (21) desde la plataforma (12) y desde el que se guíael refrigerante hacia el exterior por medio de una multiplicidad de agujeros (19, 20a, 22, 23) diseñados como orificiosde refrigeración alargados (19, 20a, 22, 23) producidos mediante taladrado por EDM (Mecanizado por ElectroDescarga) o láser y dispuestos distribuidos sobre el álabe (10), en el que la sección transversal del primer conductode refrigeración (25) se ahúsa hacia la punta del álabe (14), siendo el ahusado entre el 35% y el 59%, en el que losprimeros orificios de refrigeración (22) se disponen distribuidos a lo largo del borde de salida (16), se disponen unossegundos orificios de refrigeración (23) distribuidos sobre la punta del álabe (14), en el quelos primeros orificios de refrigeración (22) tienen una forma cilíndrica, la relación de longitud a diámetro de losorificios de refrigeración (22) en una dirección radial es 2 a 5 veces su diámetrolos primeros orificios de refrigeración (22) forman con la horizontal un ángulo de 20 a 40°, caracterizado por que losprimeros y segundos orificios de refrigeración (22, 23) se abren hacia el exterior en el lado de presión (18) del álabe(10) o se han introducido dentro del álabe (10) desde el lado de presión (18) yel ángulo de los primeros orificios de refrigeración (22) con la superficie del álabe (10) está entre 8º y 15º.

Álabe refrigerado para una turbina de gas y turbina de gas que comprende un tal álabe

Campo técnico

La presente invención se refiere al campo de la tecnología de las turbinas de gas. Se refiere a un álabe refrigerado para una turbina de gas de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 y a un método para producir un álabe de ese tipo.

Técnica precedente La eficiencia de las turbinas de gas depende sustancialmente de la temperatura del gas caliente que se expande en la turbina mientras se realiza un trabajo. Para tener la capacidad de elevar la eficiencia, los componentes (álabes guía, álabes móviles, segmentos de acumulación de calor, etc.) expuestos al gas caliente no solamente se deben producir a partir de materiales particularmente resistentes al calor, sino también deben estar refrigerados tan efectivamente como sea posible durante el funcionamiento. Se han desarrollado diferentes métodos en la técnica anterior en relación con la refrigeración de los álabes y éstos pueden usarse alternativamente o acumulativamente. Un método consiste en conducir un refrigerante, principalmente aire de refrigeración presurizado desde el compresor de la turbina de gas, en conductos de refrigeración a través del interior de los álabes y permitir que este refrigerante emerja dentro del conducto de gas caliente a través de orificios de refrigeración dispuestos de forma distribuida. Los conductos de refrigeración pueden en este caso invertirse repetidamente el interior del álabe en una forma serpenteante (véase, por ejemplo, el documento WO-A1-2005/068783) . La transferencia de calor entre el refrigerante y las paredes del álabe se puede mejorar en este caso en virtud del hecho de que se pueden generar turbulencias adicionales en el flujo de refrigerante por medio de elementos de refrigeración efectivamente adecuados, por ejemplo turboladores, o refrigeración por impacto. Sin embargo, un método complementario ocasionalmente permite al refrigerante emerger desde el interior del álabe de modo que se forma sobre la superficie del álabe una película que está formada por refrigerante, denominada película refrigerante, que permite una protección adicional de los álabes contra las cargas térmicas.

Se le concede una importancia particular a la refrigeración del borde de salida del álabe. Es ventajoso para la eficiencia de la turbina que el borde de salida se pueda diseñar para que sea tan delgado como sea posible. Por otro lado, el borde de salida debe estar también adecuadamente refrigerado con precisión porque mientras tanto está siendo alimentado con suficiente refrigerante. Más aún, es necesario conseguir que la refrigeración sea tan uniforme como sea posible en todos los estados de funcionamiento, necesitando estar limitado el uso del refrigerante a lo que se requiera para no ejercer una influencia negativa sobre la eficiencia de la máquina.

El documento EP 144 3178 muestra las características técnicas del preámbulo de la reivindicación 1.

Sumario de la invención Por lo tanto es un objetivo de la invención proporcionar un álabe refrigerado para una turbina de gas que se distinga por una refrigeración mejorada.

El objetivo se consigue por medio de la totalidad de las características de la reivindicación 1. Es esencial para la solución propuesta que en la zona del borde de salida y transcurriendo paralela al borde de salida desde la plataforma hasta la punta del álabe en el interior de la superficie aerodinámica haya un primer conducto refrigerante al que se aplique un flujo de refrigerante desde la plataforma y desde el que se guía al refrigerante al exterior por medio de una multiplicidad de orificios distribuidos sobre el álabe, y que la sección transversal de los primeros conductos de refrigerante se ahúse hacia la punta del álabe, siendo el ahusado entre el 35% y el 59%. El ahusado es aproximadamente preferiblemente el 42%.

Un refinamiento de la invención se distingue en que el área de la sección transversal del primer conducto de refrigeración tenga una altura en una dirección circunferencial de la turbina, y un ancho en una dirección axial de la turbina y que la relación de altura a ancho disminuya hacia la punta del álabe. En particular, la relación altura/ancho disminuye hacia la punta del álabe en un 5% al 14%, preferiblemente en aproximadamente el 9%.

Los primeros orificios de refrigeración se disponen distribuidos a lo largo del borde de salida, los segundos orificios de refrigeración se disponen distribuidos sobre la punta del álabe y los primeros y segundos orificios de refrigeración se abren al exterior en el lado de presión del álabe o se han introducido en el álabe desde el lado de presión.

Las entradas de los primeros orificios de refrigeración se disponen en este caso preferiblemente directamente sobre la línea central del primer conducto de refrigeración.

En particular, los primeros orificios de refrigeración tienen una forma cilíndrica y la relación de la longitud al diámetro de los primeros orificios de refrigeración está entre 20 y 35, la separación de los primeros orificios de refrigeración contiguos en una dirección radial es de 2 a 5 veces, preferiblemente 3, 5 veces, su diámetro, los primeros orificios de refrigeración forman con la horizontal un ángulo de 20º-40º, preferiblemente aproximadamente 30º y el ángulo de los primeros orificios de refrigeración con la superficie del álabe está entre 8º y 15º, preferiblemente aproximadamente 10º.

De acuerdo con un refinamiento adicional de la invención, en la transición entre la plataforma y la superficie aerodinámica, los primeros orificios de refrigeración se alinean con la línea central de la superficie aerodinámica de modo que el aire refrigerante se expulsa centralmente a través de estos orificios de refrigeración en el punto de intersección entre la línea central y el perfil del borde de salida.

Otro refinamiento se distingue porque los primeros orificios de refrigeración se mezclan uniformemente en la punta del álabe en el interior de los segundos orificios de refrigeración, porque los segundos orificios de refrigeración tienen una forma cilíndrica, porque la relación de la longitud a su diámetro de los segundos orificios de refrigeración está entre 4 y 15, en que la separación de los segundos orificios de refrigeración contiguos es 4 a 6 veces, preferiblemente 5 veces, su diámetro, y porque el ángulo de los segundos orificios de refrigeración con la superficie del álabe está entre 25º y 35º, preferiblemente aproximadamente 30º.

Adicionalmente, es ventajoso para la refrigeración de los álabes cuando transcurren a través de la plataforma unos terceros y cuartos orificios de refrigeración y porque los terceros orificios de refrigeración se abren al exterior en el lado de succión del álabe, y los cuartos orificios de refrigeración se abren al exterior en el lado de presión del álabe.

Un primer desarrollo de este refinamiento se caracteriza porque los cuartos orificios de refrigeración tienen una forma cilíndrica y forman diferentes ángulos con el borde de la plataforma y porque la separación de los cuartos orificios de refrigeración contiguos en el exterior de la plataforma es 5 a 8 veces, preferiblemente aproximadamente 6 veces, su diámetro, y porque la relación de longitud a diámetro de los cuartos orificios de refrigeración está entre 25 y 35. Una proporción de los cuartos orificios de refrigeración salen desde el primer canal de refrigeración en su lado que mira al lado de presión del álabe.

Un segundo desarrollo de este refinamiento se caracteriza porque los terceros orificios de refrigeración tienen una forma cilíndrica y forman diferentes ángulos con el borde de la plataforma y porque la separación de los terceros orificios de refrigeración contiguos en el exterior de la plataforma es 6 a 8 veces, preferiblemente aproximadamente 6, 5 veces, su diámetro y porque la relación de longitud a diámetro de los terceros orificios de refrigeración está entre 30 y 45. Los terceros orificios de refrigeración emergen preferiblemente desde el primer conducto de refrigeración sobre su lado que mira al lado de succión del álabe.

Otro refinamiento de la invención se distingue por que para generar y/o reforzar un flujo de aire de refrigeración turbulento se disponen nervios situados oblicuamente en el primer conducto de refrigeración, porque en la región de la plataforma se conecta el primer conducto de refrigeración por medio de un codo a un segundo conducto de refrigeración que transcurre paralelo y porque se proporciona un orificio para partículas que se guía hacia el exterior, de diámetro relativamente grande en la punta del álabe en el extremo... [Seguir leyendo]

1. Un álabe refrigerado (10) para una turbina de gas, que comprende una superficie aerodinámica (11) que se extiende en una dirección radial de la turbina o en una dirección longitudinal del álabe (10) , respectivamente, entre una plataforma (12) y una punta de álabe (14) , está limitado transversalmente en la dirección longitudinal mediante un borde de ataque (15) y un borde de salida (16) y tiene un lado de succión (17) y un lado de presión (18) , en el que en una zona del borde de salida (16) y transcurriendo paralelos al borde de salida (16) desde la plataforma (12) hacia arriba de la punta del álabe (14) en el interior de la superficie aerodinámica (11) hay un primer conducto de refrigeración (25) , que se alimenta con un flujo de refrigerante (21) desde la plataforma (12) y desde el que se guía el refrigerante hacia el exterior por medio de una multiplicidad de agujeros (19, 20a, 22, 23) diseñados como orificios de refrigeración alargados (19, 20a, 22, 23) producidos mediante taladrado por EDM (Mecanizado por Electro Descarga) o láser y dispuestos distribuidos sobre el álabe (10) , en el que la sección transversal del primer conducto de refrigeración (25) se ahúsa hacia la punta del álabe (14) , siendo el ahusado entre el 35% y el 59%, en el que los primeros orificios de refrigeración (22) se disponen distribuidos a lo largo del borde de salida (16) , se disponen unos segundos orificios de refrigeración (23) distribuidos sobre la punta del álabe (14) , en el que los primeros orificios de refrigeración (22) tienen una forma cilíndrica, la relación de longitud a diámetro de los orificios de refrigeración (22) en una dirección radial es 2 a 5 veces su diámetro los primeros orificios de refrigeración (22) forman con la horizontal un ángulo de 20 a 40°, caracterizado por que los primeros y segundos orificios de refrigeración (22, 23) se abren hacia el exterior en el lado de presión (18) del álabe

(10) o se han introducido dentro del álabe (10) desde el lado de presión (18) y el ángulo de los primeros orificios de refrigeración (22) con la superficie del álabe (10) está entre 8º y 15º.

2. El álabe de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el ahusado es aproximadamente del 42%.

3. El álabe de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que el área de la sección transversal del primer conducto de refrigeración (25) tiene una altura (H) en una dirección circunferencial de la turbina, y un ancho

(W) en una dirección axial de la turbina, y por que la relación de lados alto/ancho (H/W) disminuye hacia la punta del álabe (14) .

4. El álabe de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que la relación de lados alto/ancho (H/W) disminuye hacia la punta del álabe (14) en un 5% a un 14%, preferiblemente en aproximadamente el 9%.

5. El álabe de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las entradas de los primeros orificios de refrigeración (22) se disponen directamente sobre la línea central (30) del primer conducto de refrigeración (25) .

6. El álabe de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la separación de los primeros orificios de refrigeración (22) contiguos en una dirección radial es 3, 5 veces su diámetro, por que los primeros orificios de refrigeración (22) forman con la horizontal un ángulo de aproximadamente 30º y por que el ángulo de los primeros orificios de refrigeración (22) con la superficie del álabe (10) es de aproximadamente 10º.

7. El álabe de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que en la transición entre la plataforma (12) y la superficie aerodinámica (11) los primeros orificios de refrigeración (22) se alinean con la línea de cuerda (29) de la superficie aerodinámica (11) de modo que el aire de refrigeración se expulse centralmente a través de estos orificios de refrigeración (22) en el punto de intersección entre la línea de cuerda (29) y el perfil del borde de salida (16) .

8. El álabe de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los primeros orificios de refrigeración (22) se mezclan uniformemente en la punta del álabe (14) en los segundos orificios de refrigeración (23) , por que los segundos orificios de refrigeración (23) tienen una forma cilíndrica, por que la relación de la longitud a diámetro de los segundos orificios de refrigeración (23) está entre 4 y 15, por que la separación de los segundos orificios de refrigeración (23) contiguos es de 4 a 6 veces, preferiblemente 5 veces, su diámetro, y por que el ángulo de los segundos orificios de refrigeración (23) a la superficie del álabe (10) está entre 25º y 35º, preferiblemente aproximadamente 30º.

9. El álabe de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los terceros y cuartos orificios de refrigeración (19 y 20, 20a, b, respectivamente) transcurren a través de la plataforma (12) y porque los terceros orificios de refrigeración (19) se abren al exterior sobre el lado de succión (17) del álabe (10) y los cuartos orificios de refrigeración (20, 20a, b) se abren al exterior sobre el lado de presión (18) del álabe (10) .

10. El álabe de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que los cuartos orificios de refrigeración (20; 20a, b) tienen una forma cilíndrica y forman diferentes ángulos con el borde de la plataforma (12) y porque la separación de los cuartos orificios de refrigeración (20; 20a, b) contiguos en el exterior de la plataforma (12) es de 5 a 8 veces, preferiblemente aproximadamente 6 veces, su diámetro, y porque la relación de longitud a diámetro de los cuartos

orificios de refrigeración (20; 20a, b) está entre 25 y 35.

11. El álabe de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que una proporción (20a) de los cuartos orificios de refrigeración salen desde el primer canal de refrigeración (25) sobre su lado que mira hacia el lado de presión

(18) del álabe (10) .

12. El álabe de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por que los terceros orificios de refrigeración (19) tienen una forma cilíndrica y forman diferentes ángulos con el borde de la plataforma (12) , y porque la separación de los terceros orificios de refrigeración (19) contiguos en el exterior de la plataforma (12) es 6 a 8 veces, preferiblemente aproximadamente 6, 5 veces su diámetro, y porque la relación de longitud a diámetro de los terceros orificios de refrigeración (19) está entre 30 y 45.

13. El álabe de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que los terceros orificios de refrigeración (19) emergen desde el primer conducto de refrigeración (25) sobre su lado que mira hacia el lado de succión (17) del álabe (10) .

14. El álabe de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que para generar y/o reforzar un flujo de aire de refrigeración turbulento se disponen nervios (27) situados oblicuamente en el primer conducto de refrigeración (25) , por que en la región de la plataforma (12) el primer conducto de refrigeración (25) se conecta por medio de un codo (28) a un segundo conducto de refrigeración (26) que transcurre paralelo y por que se proporciona un orificio de polvo (24) de guía hacia el exterior de diámetro relativamente grande en la punta del álabe (14) en el extremo del primer conducto de refrigeración (25) .

15. Una turbina de gas que tiene una multiplicidad de álabes móviles equipados sobre un rotor y de álabes guía equipados en una carcasa que rodea al rotor, caracterizada por que se usan álabes de acuerdo con la reivindicación 1 a 14, como álabes móviles y/o álabes guía.