DISPOSICION DE TURBINA Y PROCEDIMIENTO DE ENFRIAMIENTO DE UN ARO DE REFUERZO UBICADO EN LA PUNTA DE UN ALABE DE TURBINA.

Disposición de turbina con un rotor (9) y un estator (19) que rodea el rotor (9) para formar un trayecto de flujo para gases de combustión calientes y a presión entre el rotor (9) y el estator (19),

en la que el rotor (9) define una dirección radial y una dirección circunferencial y comprende álabes (13) de turbina que se extienden en la dirección radial a través del trayecto de flujo hacia el estator (19) y que tienen anillos (25) de refuerzo ubicados en sus puntas y en la que el estator (19) comprende una sección (27) de pared a lo largo de la que se mueven los anillos (25) de refuerzo cuando el rotor (9) está girando, en la que al menos una tobera (39) supersónica está ubicada en la sección (27) de pared y está conectada a un elemento (3) que proporciona fluido de enfriamiento y ubicada de tal modo que proporciona un flujo (46) de fluido de enfriamiento supersónico hacia el aro (25) de refuerzo, caracterizada porque la al menos una tobera (39) supersónica forma un ángulo con respecto a la dirección radial hacia la dirección circunferencial en una orientación tal, que el flujo (46) de fluido de enfriamiento supersónico tiene una componente de flujo paralela a la dirección (48) de movimiento del aro de refuerzo

Disposición de turbina y procedimiento de enfriamiento de un aro de refuerzo ubicado en la punta de un álabe de turbina.

La presente invención se refiere a una disposición de turbina con un rotor y un estator que rodea el rotor para formar un trayecto de flujo para gases de combustión calientes y a presión entre el rotor y el estator, comprendiendo el rotor álabes de turbina que se extienden en una dirección sustancialmente radial a través del trayecto de flujo hacia el estator y que tienen un aro de refuerzo ubicado en sus puntas. Además, la invención se refiere a un procedimiento de enfria- miento de un aro de refuerzo ubicado en la punta de un álabe de turbina de un rotor mientras que el rotor está girando.

Los anillos de refuerzo en el extremo externo radial de álabes de turbina de gas se usan para sellar el hueco entre la punta del álabe de turbina y el estator de turbina que rodea el álabe de turbina. Con esta medida se reduce un flujo de escape a través del hueco entre la punta y el estator. Un aro de refuerzo típico se extiende en la dirección circunferencial del rotor y en la dirección axial del rotor a lo largo de una longitud sustancial del álabe de turbina, en particular a lo largo de toda su longitud axial, es decir por un área amplia de la pared interna del estator. Para mejorar la capacidad de sellado del aro de refuerzo puede haber uno o más nervios de sellado, denominados a veces también aletas, que se extienden desde una parte de plataforma del aro de refuerzo hacia la pared interna del estator.

Puesto que los anillos de refuerzo, como las demás piezas de los álabes de turbina, están expuestos al gas caliente de combustión a presión que fluye a través del trayecto de flujo entre el estator y el rotor se pretende enfriar de manera suficiente los anillos de refuerzo para prolongar su vida útil. En el documento US 2007/071593 A1 se describe una disposición de enfriamiento en la que se expulsa aire de los orificios en el estator hacia la plataforma del aro de refuerzo para realizar un enfriamiento por choque del aro de refuerzo.

El documento EP 1 083 299 A2 describe una turbina de gas con un estator y un rotor desde el que los álabes de turbina se extienden hacia el estator. En la punta externa radial de un álabe de turbina está ubicado un aro de refuerzo que se dirige hacia una estructura de sello de panal en la pared interna del estator. Aire de enfriamiento se expulsa de una abertura en la pared de estator al interior del hueco entre el aro de refuerzo y la pared de estator directamente aguas arriba de la estructura de sello de panal.

Por el documento GB 2 409 247 A se conoce una disposición de sello, en la que se proporciona una tobera para chocar contra un aro de refuerzo opuesto de un álabe de turbina, proporcionando la tobera un flujo de fluido inclinado hacia un lado de presión superior o inferior o perpendicular al aro de refuerzo. El documento GB 2 409 247 A da a conocer las características del preámbulo de las reivindicaciones 1 y 8.

En comparación con el estado de la técnica es un objetivo de la presente invención proporcionar una disposición de turbina mejorada que incluye un estator y un rotor con álabes de turbina que se extienden de manera sustancialmente radial desde el rotor hacia el estator y que tienen anillos de refuerzo en sus puntas. Además, es un segundo objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento de enfriamiento de un aro de refuerzo ubicado en la punta de un álabe de turbina de un rotor mientras que el rotor está girando.

El primer objetivo se soluciona mediante una disposición de turbina según la reivindicación 1. El segundo objetivo se soluciona mediante un procedimiento de enfriamiento de un aro de refuerzo según la reivindicación 8. Las reivindicaciones dependientes contienen desarrollos adicionales de la invención.

Una disposición de turbina según la invención comprende un rotor y un estator que rodea el rotor para formar un trayecto de flujo para gases de combustión calientes y a presión entre el rotor y el estator. El rotor define una dirección radial y una dirección circunferencial y comprende álabes de turbina que se extienden en la dirección radial a través del trayecto de flujo hacia el estator y que tienen un aro de refuerzo ubicado en su punta. El estator comprende una sección de pared a lo largo de la que se mueve el aro de refuerzo cuando el rotor está girando. Al menos una tobera supersónica está ubicada en la sección de pared y conectada a un elemento que proporciona fluido de enfriamiento. La tobera supersónica está ubicada para proporcionar un flujo de fluido de enfriamiento supersónico hacia el aro de refuerzo. Además, forma un ángulo con respecto a la dirección radial hacia la dirección circunferencial en una orientación tal, que el flujo de fluido de enfriamiento supersónico tiene una componente de flujo paralela a la dirección de movimiento del aro de refuerzo. Una tobera supersónica puede realizarse simplemente mediante una sección transversal de tobera convergente-divergente.

Con esta disposición el flujo hacia el aro de refuerzo tendrá una velocidad muy alta. Este flujo se mezclará con un escape de superposición a través del hueco radial entre el aro de refuerzo y la pared interna del estator. Este escape tiene una velocidad inferior en la dirección circunferencial que el flujo supersónico que sale de la tobera supersónica. Por tanto, mezclando el flujo de escape con el flujo supersónico el flujo supersónico aumentará la velocidad circunferencial de la mezcla que llevará a una velocidad relativa inferior en el marco de referencia de rotación del aro de refuerzo, por lo que se aumenta la eficacia de enfriamiento del enfriamiento del aro de refuerzo. Por el contrario, la velocidad circunferencial relativa del aro de refuerzo y el gas en el hueco entre el aro de refuerzo y el estator es alta en las disposiciones de enfriamiento del estado de la técnica. Por tanto, en tales disposiciones la fricción entre el gas y el aro de refuerzo es alta y, como consecuencia, se aumenta la temperatura del gas. Este aumento disminuye la capacidad de disipación térmica desde el aro de refuerzo.

El elemento que proporciona fluido de enfriamiento puede ser el compresor de la turbina de gas que también suministra al sistema de combustión aire de combustión. El fluido de enfriamiento es entonces sólo aire comprimido desde el compresor. Por tanto, no es necesario un elemento adicional que proporcione fluido de enfriamiento.

Un sello está ubicado de manera ventajosa en la sección de pared a lo largo de la que se mueve el aro de refuerzo. Este sello es en parte o completamente plano y la tobera supersónica está ubicada en el sello plano o su sección plana si sólo es en parte plano. Un sello (sección) plano de este tipo reduce la fricción entre el flujo supersónico y la pared de estator en comparación con los sellos que no son planos.

El sello en la pared del estator puede comprender, en particular, una sección plana y una sección de panal en el que la sección de panal está ubicada aguas arriba de la sección plana. Mediante esta configuración puede aumentarse la eficacia de sellado aguas arriba de la tobera supersónica sin aumentar sustancialmente la fricción entre el flujo supersónico y la pared de estator.

Además del flujo de fluido de enfriamiento supersónico un chorro de choque puede dirigirse sobre el aro de refuerzo. Para conseguirlo, una abertura de chorro de choque estaría presente aguas arriba del sello en el estator. Esta abertura estaría ubicada y orientada para proporcionar un chorro de choque dirigido hacia el aro de refuerzo. Sin embargo, aunque no se mencione explícitamente hasta el momento, el flujo supersónico que sale de la tobera supersónica también puede chocar contra el aro de refuerzo para proporcionar cierto grado de enfriamiento por choque. Además, si la diferencia de presión entre el escape y el fluido de enfriamiento desde el elemento que proporciona fluido de enfriamiento es suficientemente alta, que puede ser el caso para una segunda etapa de turbina o una etapa de turbina superior o para una primera etapa de turbina con una pala de guiado de tobera transónica, la abertura de chorro de choque también podría implementarse para proporcionar un flujo de fluido de enfriamiento supersónico con o sin una inclinación hacia la dirección circunferencial del rotor.

En el procedimiento de enfriamiento según la invención de un aro de refuerzo ubicado en la punta de un álabe de turbina de un rotor mientras que el rotor está girando se proporciona un flujo de fluido de enfriamiento...

1. Disposición de turbina con un rotor (9) y un estator (19) que rodea el rotor (9) para formar un trayecto de flujo para gases de combustión calientes y a presión entre el rotor (9) y el estator (19), en la que el rotor (9) define una dirección radial y una dirección circunferencial y comprende álabes (13) de turbina que se extienden en la dirección radial a través del trayecto de flujo hacia el estator (19) y que tienen anillos (25) de refuerzo ubicados en sus puntas y en la que el estator (19) comprende una sección (27) de pared a lo largo de la que se mueven los anillos (25) de refuerzo cuando el rotor (9) está girando, en la que al menos una tobera (39) supersónica está ubicada en la sección (27) de pared y está conectada a un elemento (3) que proporciona fluido de enfriamiento y ubicada de tal modo que proporciona un flujo (46) de fluido de enfriamiento supersónico hacia el aro (25) de refuerzo, caracterizada porque la al menos una tobera (39) supersónica forma un ángulo con respecto a la dirección radial hacia la dirección circunferencial en una orientación tal, que el flujo (46) de fluido de enfriamiento supersónico tiene una componente de flujo paralela a la dirección (48) de movimiento del aro de refuerzo.

2. Disposición de turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque el fluido de enfriamiento es aire comprimido y el elemento que proporciona fluido de enfriamiento es un compresor (3) asociado a la turbina.

3. Disposición de turbina según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada porque un sello (29, 129, 131) que es al menos en parte plano está ubicado en la sección (27) de pared a lo largo de la que se mueve el aro de refuerzo y la tobera supersónica está ubicada en el sello en la parte en la que es plano.

4. Disposición de turbina según la reivindicación 3, caracterizada porque el sello comprende una sección (129) plana y una sección (131) de panal que está ubicada aguas arriba de la sección (129) plana.

5. Disposición de turbina según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, caracterizada porque una abertura (30) de chorro de choque está presente aguas arriba del sello (29, 129, 131) en la sección (27) de pared que está ubicada y orientada para proporcionar un chorro de choque dirigido hacia el aro (25) de refuerzo.

6. Disposición de turbina según la reivindicación 5, caracterizada porque la abertura (30) de chorro de choque tiene una estructura para proporcionar un flujo de fluido de enfriamiento supersónico.

7. Disposición de turbina según la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque la abertura de chorro de choque tiene una sección transversal de tobera convergente-divergente.

8. Disposición de turbina según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la tobera (39) supersónica tiene una sección transversal de tobera convergente-divergente.

9. Procedimiento de enfriamiento de un aro (25) de refuerzo ubicado en la punta de un álabe (13) de turbina de un rotor (9) mientras que el rotor (9) está girando, en el que el rotor (9) define una dirección radial y una dirección circunferencial y los álabes (13) de turbina se extienden en la dirección radial, en el que un flujo de fluido de enfriamiento supersónico se proporciona hacia el aro (25) de refuerzo, caracterizado porque se proporciona el flujo de fluido de enfriamiento supersónico con un ángulo con respecto a la dirección radial hacia la dirección circunferencial, con una componente de flujo en su dirección (46) de flujo que es paralela a la dirección (48) de movimiento del aro (25) de refuerzo del álabe (13) de rotor giratoria.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque el flujo de fluido de enfriamiento supersónico se mezcla con flujo de fluido de enfriamiento y/o flujo de gas de combustión procedente de una dirección aguas arriba en referencia al álabe (13) de turbina.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, caracterizado porque el flujo de fluido de enfriamiento supersónico tiene una componente radial que permite que choque contra el aro (25) de refuerzo.