ALABE PARA UNA TURBINA DE GAS, EMPLEO DE UN ALABE, ASI COMO PROCEDIMIENTO PARA LA REFRIGERACION DE UN ALABE.

Álabe (15) para una turbina de gas (1), con una pared de álabe del lado de succión (26) y una pared de álabe del lado de presión (24) que termina en la primera en la zona de borde posterior (21),

comprendiendo la pared de álabe del lado de succión (26) una paleta de borde posterior (28) que sobresale por encima del borde terminal (27) de la pared de álabe del lado de presión (24) al menos en una sección parcial de la zona de borde posterior (21), caracterizado porque el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28) presenta un número de concavidades en forma de artesa (32), y presentando las concavidades (32) en cada caso un borde limitante (34) que circula exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28)

Álabe para una turbina de gas, empleo de un álabe, así como procedimiento para la refrigeración de un álabe.

La invención se refiere a un álabe para una turbina de gas. Esta se refiere además a una turbina de gas con tal álabe, y a un procedimiento para la refrigeración de un álabe.

En muchos sectores se emplean turbinas de gas para el accionamiento de generadores, o de máquinas de trabajo. En este caso se utiliza el contenido en energía de un combustible para la generación de un movimiento de rotación de un eje de turbina. A tal efecto se quema el combustible en un número de quemadores, alimentándose aire comprimido desde un compresor de aire. Mediante la combustión de combustible se genera un medio de trabajo que está bajo presión elevada con una temperatura elevada. Este medio de trabajo se conduce a una unidad de turbina post-conectada, donde se descomprime eficientemente.

La unidad de turbina de una turbina de gas presenta un número de álabes de rodete giratorios, unidos al eje de turbina, para la transferencia de impulsos del medio de trabajo al eje de turbina. A tal efecto, los álabes de rodete están dispuestos en forma de corona en el eje de turbina, y por consiguiente forman un número de coronas de álabes de rodete o series de álabes de rodete. La turbina y el compresor están dispuestos en un eje de turbina común, también denominado rotor de turbina, al que está unido también el generador, o bien la máquina de trabajo, y que es giratorio alrededor de su eje central.

Además, la unidad de turbina comprende habitualmente un número de aletas guía estacionarias, que están fijadas igualmente en forma de corona, bajo la formación de coronas de aletas guía o series de aletas guía, a una carcasa interna, o bien al estator de la turbina. En este caso, los álabes de rodete sirven para el accionamiento del eje de turbina mediante transferencia de impulsos del medio de trabajo que pasa por la turbina. Por el contrario, las aletas guía sirven para el control de circulación del medio de trabajo respectivamente entre dos series de álabes de rodete o coronas de álabes de rodete sucesivos en el sentido de circulación del medio de trabajo. Un par sucesivo constituido por una corona de aletas guía o una serie de aletas guía, y por una corona de álabes de rodete o una serie de álabes de rodete, también se denomina grado en este caso.

Por regla general, una aleta guía presenta también una plataforma denominada raíz de paleta, que está dispuesta como elemento mural en la carcasa interna de la turbina para la fijación de la respectiva aleta guía, y forma el límite externo de un canal de gas de calefacción para el medio de trabajo que pasa por la turbina. Para un control de circulación eficiente del medio de trabajo en el sentido de la serie de álabes de rodete que siguen a una serie de aletas guía, una aleta guía asignada a la serie de aletas guía presenta habitualmente un perfil de sección transversal abovedado, en forma de ala, de modo que en el caso de pérdidas por fricción lo más reducidas posible en la respectiva aleta guía se ajusta el control de circulación previsto, y por consiguiente la serie de aletas guía, o bien el grado asignado a la misma, posee un grado de acción lo más elevado posible. A tal efecto, el borde delantero de una aleta guía presenta una sección transversal circular, que se estrecha hacia el borde posterior de la aleta guía, terminado en punta. Un álabe de rodete presenta conformación similar, estando adaptados generalmente al fin de empleo, es decir, estando optimizados para una transferencia de impulsos especialmente eficiente del medio de trabajo al respectivo álabe de rodete, los detalles específicos, como por ejemplo el grosor de perfil máximo, el radio de curvatura en el borde delantero, etc.

En el diseño de turbinas de gas descritas anteriormente, un objetivo de diseño es habitualmente un grado de acción especialmente elevado, además del rendimiento alcanzable. En este caso, por motivos termodinámicos, en principio se puede conseguir un aumento del grado de acción mediante un aumento de la temperatura con la que el medio de trabajo afluye de la cámara de combustión hacia fuera y en la unidad de turbina. Por lo tanto se desean, y también se alcanzan temperaturas de aproximadamente 1200ºC a 1500ºC para tales turbinas de gas.

No obstante, a temperaturas tan elevadas del medio de trabajo, los componentes y elementos expuestos a este medio están expuestos a cargas térmicas elevadas. Sin embargo, para garantizar una duración relativamente larga de los respectivos afectados, con fiabilidad elevada, habitualmente es necesaria una refrigeración de los respectivos componentes, en especial de los álabes. Para impedir deformaciones térmicas del material, que limitan la duración de los componentes, por regla general se pretende conseguir una refrigeración de los componentes lo más uniforme posible. En este caso, como refrigerante se emplea habitualmente aire de ventilación, al que se transfiere el calor de los componentes a refrigerar. En este caso, el aire de ventilación se puede conducir esencialmente en sentido perpendicular a una superficie a refrigerar en la denominada refrigeración por impacto, o se puede conducir a lo largo de la superficie a refrigerar, es decir, en sentido esencialmente tangencial a la misma, en la denominada refrigeración pelicular. Además, para la refrigeración por convección de componentes de turbina pueden estar previstos canales de aire de ventilación integrados en los mismos. Finalmente, los diversos conceptos de refrigeración se pueden combinar también entre sí.

Para la refrigeración de los álabes, sometidos a carga térmica especialmente fuerte, en especial de las aletas guía, se conduce habitualmente aire refrigerante en su interior, de modo que las paredes del respectivo álabe se refrigeran desde el interior. Al menos una parte de este aire refrigerante se expulsa por soplado del interior del álabe a través de orificios de salida en el sentido de circulación del medio de trabajo hacia atrás desde el borde posterior del álabe. Para dar al borde posterior una configuración conveniente desde el punto de vista aerodinámico, o bien para posibilitar una refrigeración eficaz del borde posterior, relativamente delgado, con el aire refrigerante expulsado por soplado, bajo mantenimiento del contorno especialmente conveniente desde el punto de vista termodinámico en el lado de succión de la hoja de pala, la pared de pala del lado de presión que converge en forma de cuña con la pared de pala del lado de succión originalmente en la zona del borde posterior está recortada en tal medida que la pared de pala del lado de succión, que sobresale por encima del borde extremo de la pared de pala del lado de presión, forma una denominada paleta de borde posterior con grosor reducido. Esta configuración del borde posterior se denomina también "borde posterior Cut-Back". Tal álabe es conocido por la US-B 6 328 531. Según fabricante, también son comunes otras denominaciones, como por ejemplo "Pressure Side Bleed". La paleta de borde posterior se refrigera por medio de enfriamiento de película a través del aire refrigerante que sale de la ranura entre el borde extremo de la pared de pala del lado de presión y la paleta de borde posterior de la pared de pala del lado de succión. Se interrumpen las secciones descubiertas de la paleta de borde posterior por secciones de refuerzo o nervios, también denominados "suelo", en los que la pared de pala del lado de presión está extendida respectivamente hasta el extremo del borde posterior para la estabilización del álabe, de modo que el borde posterior se mantiene relativamente macizo en este punto.

En este caso es problemático que, a pesar de la refrigeración descrita de la paleta de borde posterior, en esta zona se pueden presentar sobrecalentamientos debidos al diseño. En especial una formación de grietas ocasionada de este modo influye limitando la duración para el respectivo álabe. Ya que en los trabajos de mantenimiento necesarios para impedir tales daños por desgaste se deben desmontar, y a continuación componer de nuevo piezas, casi siempre grandes, de la turbina de gas, o bien de la respectiva unidad de turbina, además de los costes para la creación y la incorporación de las piezas de recambio, también se producen aún tiempos de parada relativamente largos. La erosión de álabes, en especial en la zona de su respectivo borde posterior, se puede contrarrestar ciertamente mediante el empleo acrecentado de aire refrigerante, pero esto reduce el grado de acción total de la turbina de gas.

Por lo tanto, la invención toma como base...

1. Álabe (15) para una turbina de gas (1), con una pared de álabe del lado de succión (26) y una pared de álabe del lado de presión (24) que termina en la primera en la zona de borde posterior (21), comprendiendo la pared de álabe del lado de succión (26) una paleta de borde posterior (28) que sobresale por encima del borde terminal (27) de la pared de álabe del lado de presión (24) al menos en una sección parcial de la zona de borde posterior (21), caracterizado porque el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28) presenta un número de concavidades en forma de artesa (32), y presentando las concavidades (32) en cada caso un borde limitante (34) que circula exclusivamente en el área del lado de presión de la paleta de borde posterior (28).

2. Álabe (15) según la reivindicación 1, presentando un número de concavidades (32) respectivamente un borde limitante elíptico, en especial circular (34).

3. Álabe (15) según la reivindicación 2, presentando un número de concavidades (32) respectivamente la configuración de un segmento esférico.

4. Álabe (15) según la reivindicación 3, ascendiendo el radio del círculo formado por un borde limitante (34) respectivamente a 1/10 hasta 1/4 de la anchura (x) de la paleta de borde posterior (28).

5. Álabe (15) según la reivindicación 3 o 4, ascendiendo la profundidad del segmento esférico en cada caso a aproximadamente 1/3 del radio de esfera.

6. Álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que las concavidades (32) están dispuestas regularmente.

7. Álabe (15) según una de las reivindicaciones 3 a 5 con concavidades (32) dispuestas regularmente, respectivamente de las mismas dimensiones, ascendiendo la distancia entre los bordes limitantes (34) cada dos concavidades adyacentes (32) a una vez hasta una vez y media el diámetro de esfera.

8. Procedimiento para la refrigeración de un álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 7, en el que se fluidiza localmente aire refrigerante (K) que circula a lo largo de la paleta de borde posterior (28) mediante concavidades (32) dispuestas en la paleta de borde posterior (28).

9. Empleo de un álabe (15) según una de las reivindicaciones 1 a 7 en una turbina de gas.