ALABE DE TURBINA PARA UNA TURBINA DE VAPOR.

Álabe de turbina (10, 110, 120) para una turbina de vapor con un segmento de hoja de álabe (12),

así como un segmento de pie (14, 43, 52), en el que el segmento de hoja de álabe (12) contiene, al menos por zonas, material compuesto de fibras (18), estando rodeada al menos la zona que contiene el material compuesto de fibras (18) por una capa de protección (30) deformable e impermeable a la humedad, que impide la penetración de humedad en el material compuesto de fibras (18) durante el servicio del álabe de turbina (10, 110, 120),

caracterizado porque entre la capa de protección (30) y el material compuesto de fibras (18) están dispuestas una capa eléctricamente conductora (32, 36) o bien sustancias químicas solubles en agua (38), con lo que puede vigilarse el correcto funcionamiento de la capa de protección (30)

Álabe de turbina para una turbina de vapor.

La invención se refiere a un álabe de turbina para una turbina de vapor con un segmento de hoja de álabe, así como un segmento de pie, conteniendo el segmento de hoja de álabe, al menos por zonas, un material compuesto de fibras. Además se refiere la invención a una turbina de vapor con un tal álabe de turbina.

Tales álabes de turbina, en particular álabes de turbina de este tipo configurados como álabes giratorios, se fabrican según el estado de la técnica de acero o titanio. Los álabes de turbina en general y en particular los álabes de las últimas etapas están sometidos, debido a su funcionamiento, a elevadas solicitaciones por fuerza centrífuga, ya que los mismos, para lograr un alto rendimiento, deben presentar una superficie de salida del flujo lo más grande posible y por ello deben poseer una gran longitud de álabe. Para aplicaciones usuales se utilizan por lo tanto aceros de alta resistencia. Donde debido a tensiones por fuerza centrífuga los mismos no pueden utilizarse, se emplean álabes de titanio, que debido a su inferior densidad experimentan también tensiones por fuerzas centrífugas menores. Desde luego estos álabes son bastante más costosos que los álabes de acero. No obstante, también en álabes de titanio están limitadas las superficies de salida del flujo para máquinas de las máximas revoluciones (50 Hz) a aproximadamente 16 m², lo que implica las correspondientes consecuencias en cuanto a las longitudes de álabe que pueden alcanzarse.

Debido a la limitación práctica en cuanto a la longitud del álabe, según el estado de la técnica se aumenta a menudo en etapas de baja presión de turbinas de vapor la cantidad de flujos de baja presión. Esto puede realizarse por ejemplo pasando de etapas de turbina de un flujo a etapas de turbina de dos flujos o utilizando varias turbinas parciales de baja presión. También puede reducirse la velocidad de giro del turbogrupo. En este caso pueden utilizarse entonces superficies de salida del flujo mayores. No obstante, todas estas medidas implican en parte costes considerables.

Una tarea básica de la invención consiste en prever una turbina de vapor con un álabe de turbina del tipo citado al principio que posibilite un rendimiento de la turbina especialmente alto y que a la vez que pueda operarse con seguridad de funcionamiento en la turbina de vapor.

Por el documento US A 3,883,267, el US A 5,240,377, el FR A 1 178 140 y el EP A1 593 811, se conocen respectivos álabes de turbina del tipo citado al principio. El material compuesto de fibras o bien la correspondiente capa del mismo alrededor del cuerpo de relleno está protegido ciertamente en estos álabes en parte contra la erosión, pero no frente a la penetración de humedad, lo cual puede originar daños, en particular en la zona de vapor húmedo. También por el documento EP A1 577 422 y el DE 24 50 253 A1 se conocen medidas para la protección frente a la erosión. Por el documento DE 22 43 132 A1 se conoce ya un álabe compuesto por completo por material compuesto de fibras con una capa de protección aplicada galvánicamente. El documento EP-A1 462 606 da a conocer un álabe de turbina con las características del preámbulo de la reivindicación 1.

Esta tarea se resuelve en el marco de la invención con un álabe de turbina de tipo genérico que presenta las características de la reivindicación 1. Además, se resuelve la tarea en el marco de la invención con una turbina de vapor según la reivindicación 14. Las correspondientes reivindicaciones secundarias referidas a las anteriores contienen ventajosos perfeccionamientos de la invención.

Por lo tanto, en el marco de la invención se utilizan álabes de compuesto de fibras como álabes de etapas de baja presión o bien álabes de etapas finales. En comparación con las resistencias referidas de distintos materiales, queda clara la ventaja de los materiales compuestos de fibras para una aplicación como material para álabes de las etapas finales. Así es la resistencia referida a la densidad (R_{p0 . 2}/?) para acero mejorado de alta resistencia de 115 m²/s², para titanio de 221 m²/s² y para el material reforzado con fibras CFK-HM por el contrario de 563 m²/s². Debido a la muy superior resistencia del material compuesto de fibras, pueden bien cargarse los álabes de turbina fabricados con las medidas tradicionales más fuertemente o bien fabricarse los álabes de turbina con una longitud mayor. Las tensiones por fuerza centrífuga que entonces se presentan pueden absorberlas sin más el álabe de la turbina, debido a la muy superior relación resistencia/densidad, sin disminución de la seguridad de funcionamiento.

Debido a la elevada relación resistencia/densidad de un álabe de turbina que contiene el material compuesto de fibras correspondiente a la invención, puede preverse, en base al diseño del segmento de hoja de álabe, para su utilización en una etapa de baja presión de la turbina de vapor y pese a las elevadas solicitaciones por fuerza centrífuga, preverse una superficie de salida del flujo fuertemente aumentada. Esto puede realizarse en particular previendo una longitud de álabe especialmente grande. Con ello puede aumentarse el rendimiento de la turbina de vapor considerablemente.

En el campo de las turbinas industriales puede cargarse más fuertemente un álabe de turbina con una dimensión predeterminada por ejemplo admitiendo una contrapresión más elevada en las etapas finales (condensación del aire), mediante una velocidad de giro admisible más elevada de las turbinas de accionamiento o mediante el aumento de los álabes de las etapas finales para accionamientos de velocidad de giro variable mediante la utilización correspondiente a la invención del material compuesto de fibras. De ello resulta igualmente un rendimiento más alto para la turbina de vapor.

Tal como ya se ha mencionado, resulta para el campo de las turbinas para centrales de energía el potencial de un alargamiento muy considerable de los álabes de las etapas finales existentes, inherente a un aumento considerable de las superficies de salida del flujo que pueden alcanzarse. Por ejemplo, pudieron sustituirse hasta ahora turbogrupos realizados con la mitad de la velocidad de giro máxima con superficies de salida del flujo de 20 m² por cada flujo, con ayuda de los álabes de turbina correspondiente a la invención, por turbogrupos de la máxima velocidad de giro y de la misma superficie de salida del flujo. Debido al inferior tamaño constructivo de turbogrupos con la velocidad máxima de giro, es posible un considerable ahorro de costes. También mediante la utilización de los álabes de turbina correspondientes a la invención puede reducirse la cantidad de flujos de baja presión. Para aplicaciones de varios flujos en centrales de energía puede ahorrarse por ejemplo una de tres partes de baja presión. También pueden sustituirse turbinas de baja presión de dos flujos por máquinas de un sólo flujo, con lo que pueden lograrse igualmente considerables ahorros de costes. Adicionalmente puede lograrse mediante la solución correspondiente a la invención en cualquier caso una reducción del tamaño de la instalación a igualdad de sección del flujo de salida.

El álabe de turbina correspondiente a la invención es especialmente adecuado para la última fila de álabes giratorios de una turbina de vapor, pero puede igualmente según la invención utilizarse para la segunda y dado el caso la tercera última fila de álabes. El mismo puede igualmente combinarse con álabes de tapas previas de acero o titanio. El segmento de hoja de álabe del álabe de turbina correspondiente a la invención que contiene, al menos por zonas, el material compuesto de fibras, presenta preferiblemente al menos en la zona de la pared exterior el material compuesto de fibras. Ventajosamente puede también estar compuesto todo el segmento de hoja de álabe por material compuesto de fibras. Además, se reduce ventajosamente en el segmento de hoja de álabe que se vuelve más delgado hacia la punta de la hoja la cantidad de fibras en la dirección longitudinal del segmento de hoja de álabe.

La tarea antes citada se resuelve en el marco de la invención además con un álabe de turbina de tipo genérico en el que el segmento de hoja de álabe contiene, al menos por zonas, material compuesto de fibras, estando rodeada al menos la zona que contiene el material compuesto de fibras por una capa de protección deformable impermeable a la humedad, que impide la penetración de humedad en el material compuesto...

1. Álabe de turbina (10, 110, 120) para una turbina de vapor con un segmento de hoja de álabe (12), así como un segmento de pie (14, 43, 52), en el que el segmento de hoja de álabe (12) contiene, al menos por zonas, material compuesto de fibras (18), estando rodeada al menos la zona que contiene el material compuesto de fibras (18) por una capa de protección (30) deformable e impermeable a la humedad, que impide la penetración de humedad en el material compuesto de fibras (18) durante el servicio del álabe de turbina (10, 110, 120),

caracterizado porque entre la capa de protección (30) y el material compuesto de fibras (18) están dispuestas una capa eléctricamente conductora (32, 36) o bien sustancias químicas solubles en agua (38), con lo que puede vigilarse el correcto funcionamiento de la capa de protección (30).

2. Álabe de turbina según la reivindicación 1,

en el que tanto el segmento de hoja de álabe (12) como también el segmento de pie (14, 43, 52) contiene en cada caso, al menos por zonas, material compuesto de fibras (18).

3. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el material de compuesto de fibras (18) contiene fibras de vidrio, fibras de plástico y/o fibras de carbono.

4. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el material compuesto de fibras (18) presenta fibras que en la zona de la hoja de álabe (12) están conducidas bajo un ángulo que se desvía de un eje principal (21) del álabe de turbina (10, 110, 210), en particular bajo un ángulo de pm 15º, pm 30º y/o pm 45º respecto al eje principal (21).

5. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de hoja de álabe (12) presenta un cuerpo de relleno (24) dispuesto en el centro de la hoja, que está rodeado por completo por el material compuesto de fibras (18).

6. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de hoja de álabe (12) está configurado para utilizarlo en una etapa de baja presión de la turbina de vapor.

7. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que las sustancias químicas solubles en agua (38) pueden detectarse en forma disuelta, en particular en forma química, óptica y/o radiológica.

8. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que está previsto un borde de entrada del flujo (27) del álabe de turbina (10, 110, 210) con un refuerzo del borde (28) para la protección frente al golpeo de gotas.

9. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de pie (14) presenta un elemento de contacto (46, 54) para establecer un contacto con un soporte de sujeción del pie del álabe (48, 60) en un eje del rotor (47, 58) de una turbina de vapor, conteniendo el elemento de contacto (46, 54) material compuesto de fibras (18) y/o un material metálico.

10. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de pie (14, 43, 52) presenta un elemento de desviación (46, 56) mediante el que se desvía una cantidad importante de fibras del segmento de hoja de álabe (12) y/o un elemento de guía (44, 54) mediante el que se desvía una ventajosa conducción de las fibras en el segmento de pie (14, 43, 52) hasta una conducción de las fibras adaptada a la geometría del segmento de hoja de álabe (12).

11. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de pie (14, 43, 52) está realizado como pie insertable (14, 43), que puede insertarse en un soporte de fijación del álabe (48) de un eje del rotor (47) de la turbina en dirección radial respecto al eje del rotor (47).

12. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que la capa de protección que rechaza la humedad (30) rodea también el segmento de pie (14, 43, 52).

13. Álabe de turbina según una de las reivindicaciones precedentes,

en el que el segmento de pie (14, 43, 52) está realizado como pie deslizable (52), que puede insertarse por deslizamiento en un soporte de fijación del pie del álabe (60) de un eje del rotor (58) de la turbina esencialmente en dirección axial respecto al eje del rotor (58).

14. Turbina de vapor con un álabe de turbina (10, 110, 210) según una de las reivindicaciones precedentes.

15. Turbina de vapor según la reivindicación 14, que presenta un equipo para observar el comportamiento en vibración del álabe de turbina (10, 110, 210).

16. Turbina de vapor según la reivindicación 14 ó 15, que presenta al menos un álabe conductor que puede calentarse.