DISEÑO DE REFRIGERACIÓN POR GENERACIÓN DE TURBULENCIA POR UN ÁLABE DE TURBINA.

Diseño de refrigeración por generación de turbulencia por un álabe de turbina La presente invención se refiere a una turbomáquina, y en particular, pero no exclusivamente, a álabes de turbina para su uso en motores de turbina de gas. Los motores de turbina de gas se usan en una serie de aplicaciones, entre otras en sistemas de propulsión de aeronaves y en sistemas de generación de energía y similares. Los motores de turbina de gas típicos generalmente comprenden tres componentes: un compresor, una cámara de combustión y una unidad de turbina, en los que el compresor y la turbina se montan en el mismo eje. Cuando están en uso, el compresor comprime el aire, con el que se alimenta la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y la mezcla se inflama, los gases de escape que se producen entonces se expanden a través de la unidad de turbina para mover el eje y generar trabajo en el eje. En aplicaciones de generación de energía, el trabajo que se genera en el eje se usa para mover el compresor y girar generadores eléctricos, a menudo a través de un sistema de transmisión. Las unidades convencionales de turbina comprenden varias etapas, cada etapa normalmente consiste en dos conjuntos de álabes colocados en una corona, constituyendo el primer conjunto los álabes del estator o de tobera que están fijos rotativamente con respecto a la carcasa de la turbina, y constituyendo el segundo conjunto los álabes del rotor que se montan sobre el eje y rotan con el mismo. El número de etapas en una unidad de turbina se selecciona de acuerdo con, por ejemplo, consideraciones de carga mecánica y de rendimiento termodinámico en las etapas. Además, el número de etapas puede determinarse por la relación de la presión requerida desde la entrada hasta la salida de la turbina. La eficiencia de la turbina es un factor importante en el diseño de cualquier motor de turbina de gas y un método para aumentar las características de rendimiento implica maximizar la temperatura del gas a la entrada de la turbina. Sin embargo, aumentar la temperatura del gas que se usa para mover la turbina produce serios problemas de fatiga mecánica y térmica en los álabes de turbina, y la temperatura del gas queda limitada por las propiedades físicas del material del álabe, como el punto de fusión, la carga de rotura y similares. Se han realizado diversos avances en los materiales que se usan en turbinas de alta presión y temperatura, sin embargo, estos son extremadamente costosos debido al complejo proceso de formación, por ejemplo, tales como la cristalización unidireccional. Por lo tanto, es una práctica común minimizar la fatiga térmica refrigerando los álabes cuando están en funcionamiento haciendo pasar aire refrigerante que se purga externamente del compresor e internamente de los álabes, de forma que puedan alcanzarse temperaturas de funcionamiento más altas, y poder aumentar el tiempo de vida útil de los álabes. Existe una serie de diseños de álabes que permiten utilizar un régimen particular de flujo de aire refrigerante para permitir una combinación de, por ejemplo, refrigeración por convención, refrigeración forzada y refrigeración por película refrigerante, a fin de mejorar las propiedades de transferencia de calor entre el álabe y el aire refrigerante. Sin embargo, la forma o diseño actual de un álabe a menudo viene determinado por un compromiso entre la aerodinámica y los requisitos de integridad. La refrigeración en primer lugar afecta a las consideraciones de integridad tanto en términos de controlar las fatigas térmicas, como de mantener la temperatura de funcionamiento del material dentro de unos límites aceptables para minimizar las deformaciones y la corrosión. El documento US 5.919.031 describe un álabe que tiene una raíz de álabe y un cuerpo de álabe. El álabe se compone de una pared del lado de presión y de una pared del lado de succión, que se conectan entre sí a través de la región del borde de salida y la región del borde de entrada, de manera que se forme un espacio hueco en el que se colocan unas nervaduras. Cando está en uso, el espacio hueco forma un pasaje para el fluido refrigerante. El documento EP 0852285 describe la configuración de un generador de turbulencia que se forma sobre una superficie interna de una o más paredes que definen un pasaje de refrigerante en el álabe del rotor de un motor de turbina de gas. Una serie de pares de generadores de turbulencia se orientan con respecto a una línea central del pasaje de refrigerante, los pares de generadores de turbulencia se angulan bien hacia la línea central o alejándose de ella, dependiendo de si el refrigerante fluye radialmente hacia fuera o radialmente hacia dentro. Entre los objetivos de la presente invención se encuentra proporcionar un álabe de turbina que tenga una mejor refrigeración. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un álabe de turbina de acuerdo con la reivindicación 1. Por lo tanto, el álabe de turbina proporciona una transferencia de calor mejorada entre el álabe y el medio refrigerante debido a la presencia y la forma de las nervaduras dentro de al menos uno de los canales. Preferentemente, se dispone una porción de nervadura en un ángulo de 120° desde la otra porción de nerv adura, es decir, el ángulo de la unión tipo cheurón entre las porciones de nervadura es preferentemente de 120°. 2 E03748303 28-12-2011   En una realización preferida de la presente invención, al menos uno de los canales tiene una sección transversal básicamente triangular. Al menos uno de los canales puede tener alternativamente una forma transversal básicamente circular, o cualquier forma transversal que se considere adecuada por un experto habitual en la materia. Preferentemente, las nervaduras adyacentes se alinean de forma que las uniones adyacentes de tipo cheurón estén alineadas longitudinalmente con respecto a al menos un canal. Como alternativa, las nervaduras adyacentes pueden estar desalineadas de forma que las uniones adyacentes de tipo cheurón estén longitudinalmente desfasadas. Ventajosamente, las nervaduras pueden montarse sobre los laterales opuestos de al menos uno de los canales, y cada nervadura opuesta puede estar alineada lateralmente con respecto a al menos uno de los canales. Como alternativa, las nervaduras puedes estar desfasadas lateralmente. Preferentemente, al menos un hueco de cada nervadura adyacente está alineado longitudinalmente con respecto a al menos uno de los canales. Como alternativa, al menos uno de los huecos en cada nervadura adyacente puede estar desfasado longitudinalmente. En una realización de la presente invención, cada nervadura puede definir al menos dos huecos. Preferentemente, se proporciona al menos un hueco en una porción de nervadura y se proporciona al menos un hueco en la otra porción de nervadura. Preferentemente, el centro de cada hueco en cada porción de nervadura se sitúa aproximadamente entre el 60% y el 70%, y preferentemente a alrededor de dos tercios, de toda la longitud de cada porción de nervadura desde la unión tipo cheurón. Convenientemente, al menos una de las nervaduras puede extenderse básicamente en perpendicular desde la superficie de al menos uno de los canales. Como alternativa, o adicionalmente, al menos una de las nervaduras puede extenderse desde la superficie de al menos uno de los canales en un ángulo no perpendicular. Preferentemente, al menos una de las nervaduras puede extenderse desde la superficie de al menos uno de los canales en un ángulo de entre 45° y 135° con respecto a la dirección del flujo a través de al menos uno de los canales. Más preferentemente, al menos una de las nervaduras se extiende en un ángulo de entre 60° y 90°. Siendo lo más preferente que al menos una nervadura se extienda en un ángulo de entre 62° y 79°. De esta manera, en una realiza ción preferida de la presente invención, al menos una nervadura se extiende desde la superficie de al menos uno de los canales y se la dirige en la dirección del flujo a través de al menos uno de los canales. Ventajosamente, las nervaduras pueden tener una sección transversal cuadrada. Como alternativa, las nervaduras pueden tener una sección transversal en forma general de paralelogramo. Como alternativa, las nervaduras pueden tener además una sección transversal de forma trapezoidal. Ventajosamente, las nervaduras adyacentes se espacian entre 4 y 6 mm, y más preferentemente entre 4 y 5 mm. Siendo lo más preferente, que las nervaduras adyacentes estén espaciadas a 4,4 mm. Se debe señalar que el espaciado entre cada nervadura de ordinario se denomina espaciado. Preferentemente, las nervaduras tienen una altura de entre 0,45 y 0,75 mm. Más preferentemente, las nervaduras tienen una altura de entre 0,5 y 0,6 mm. Siendo lo más preferente que las nervaduras tengan una... [Seguir leyendo]

1. Un álabe de turbina (10) que tiene paredes laterales opuestas de presión y de succión colindantes por los bordes anterior y posterior (12,14) del álabe (10), y que definen al menos un canal interno (16) que proporciona un pasaje para el flujo de un medio refrigerante, incluyendo al menos uno de dichos canales (16) una serie de nervaduras (28, 60, 64, 70) promotoras de turbulencia, que se montan sobre la superficie de la pared de un canal (44, 62, 66, 72), en el que cada nervadura (28, 60, 64, 70) comprende dos porciones de nervadura (30, 32) que se unen por un extremo de la misma para formar una unión tipo cheurón (34), definiendo dicha unión tipo cheurón (34) un ángulo de entre 80° y 120° entre las dos porciones de nervadura (30, 32) y dirigiéndose en el sentido del flujo del medio refrigerante dentro de al menos uno de los canales (16), y en el que al menos se proporciona un hueco (40,42) en una porción de nervadura (30, 32), y se proporciona al menos un hueco (40, 42) en la otra porción de nervadura (30,32). 2. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 1, en el que una porción de nervadura (30; 32) se dispone en un ángulo de 120° desde la otra porción de nervadura (30; 32). 3. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que al menos uno de los canales (16) tiene una sección transversal básicamente triangular. 4. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que al menos uno de los canales (16) tiene una forma de sección transversal básicamente circular. 5. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras adyacentes (28, 60, 64, 70) se alinean de forma que las uniones tipo cheurón (34) adyacentes están alineadas longitudinalmente con respecto a al menos uno de los canales (16). 6. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las nervaduras adyacentes (28, 60, 64, 70) están desalineadas de forma que las uniones tipo cheurón (34) adyacentes están desfasadas longitudinalmente. 7. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) se montan en los laterales opuestos de al menos uno de los canales (16). 8. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 7, en el que cada nervadura (28, 60, 64, 70) opuesta se alinea lateralmente con respecto a al menos uno de los canales (16). 9. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 7, en el que cada nervadura (28, 60, 64, 70) opuesta se desfasa lateralmente con respecto a al menos uno de los canales (16). 10. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los huecos (40, 42) de cada nervadura (28, 60, 64, 70) adyacente se alinea longitudinalmente con respecto a al menos uno de los canales (16). 11. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que los huecos (40, 42) de cada nervadura (28, 60, 64, 70) adyacente se desfasa longitudinalmente con respecto a al menos uno de los canales (16). 12. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el centro de al menos uno de los huecos (40, 42) se encuentra entre el 60% y el 70% de toda la longitud de la respectiva porción de nervadura (30, 32) desde de la unión tipo cheurón (34). 13. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el centro de al menos uno de los huecos (40, 42) se encuentra a alrededor de dos tercios de toda la longitud de la respectiva porción de nervadura (30, 32) desde la unión tipo cheurón (34). 14. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una nervadura (28, 60, 64, 70) se extiende de forma básicamente perpendicular desde la superficie de al menos uno de los canales (16). 15. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una nervadura (28, 60, 64, 70) se extiende desde la superficie de al menos uno de los canales (16) en un ángulo de entre 45° y 135° con respecto a la dirección del flujo a través de al menos uno de los canales (16). 16. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una nervadura (28, 60, 64, 70) se extiende en un ángulo de entre 60° y 90° desde la superficie de al menos uno de los canales (16) con respecto a la dirección de flujo, a través del mismo. 17. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a13, en el que al menos una nervadura (28, 60, 64, 70) se extiende en un ángulo de entre 62° y 79° desde la superficie de al menos uno de lo s canales (16) con respecto a la dirección de flujo a través del mismo. 7 E03748303 28-12-2011   18. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tiene una sección transversal trapezoidal. 19. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una sección transversal en forma de paralelogramo. 20. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una sección transversal cuadrada. 21. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) adyacentes se espacian entre 4 y 6 mm. 22. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) adyacentes se espacian a entre 4 y 5 mm. 23. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que a las nervaduras (28, 60, 64, 70) adyacentes se espacian a 4,4 mm. 24. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una altura de entre 0,45 y 0.75 mm. 25. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una altura de entre 0,5 y 0,6 mm. 26. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una altura de 0,52 mm. 27. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una anchura de entre 0,45 y 0,75 mm. 28. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen una anchura de 0,6 mm. 29. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los huecos (40, 42) en las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen entre 0,45 y 0,75 mm de ancho. 30. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los huecos (40, 42) de las nervaduras (28, 60, 64, 70) tienen 0,54 mm de ancho. 31. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos uno de los canales (16) se encuentra en la región del borde de entrada (12) del álabe (10). 32. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos a uno de los canales (16) lo define la pared de presión (52), la pared de succión (50) y una porción de red que se extiende entre las paredes de presión y de succión (52,50). 33. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que las nervaduras (28, 60, 64, 70) se encuentran en al menos un canal (16) de la región del borde de entrada (12) del álabe (10), de manera que una porción de la nervadura (30; 32) se encuentra sobre la pared de presión (52) y la otra porción de nervadura (30;32) se encuentra sobre la pared de succión (50), y la unión tipo cheurón (34) se alinea con el borde de entrada (12). 34. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, en el que al menos uno de los canales (16) se encuentra en un pasaje intermedio del álabe (10), entre los bordes de entrada y posterior (12,14) del álabe (10). 35. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el álabe (10) incluye una serie de canales internos (16). 36. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 35, en el que al menos uno de los diversos canales (16) se encuentra en la región del borde de entrada (12) del álabe (10), y al menos un canal (16) se encuentra en un pasaje intermedio del álabe (10), entre los bordes de entrada y posterior (12,14). 37. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos uno de los canales (16) tiene forma de un solo paso. 38. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 36, en el que al menos uno de los canales (16) tiene forma de serpentina. 39. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el álabe de 8 E03748303 28-12-2011   turbina (10) además incluye una porción de raíz (18) y una porción de punta (20), extendiéndose las paredes de presión y de succión (52,50) y los bordes anterior y posterior (12,14) desde dicha porción de raíz (18) hasta dicha porción de la punta (20) del álabe (10). 40. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 39, en el que el medio refrigerante se suministra al álabe (10) a través de la porción de la raíz (18). 41. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 39 o 40, en el que la porción de raíz (18) es de tipo abeto. 42. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con la reivindicación 39 o 40, en el que la porción de raíz (18) es de tipo cola de paloma. 43. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie externa del álabe de turbina (10) define una serie de aberturas (23, 26) que proporcionan una comunicación fluida entre al menos uno de los canales de refrigeración (16) y el exterior del álabe (10). 44. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio refrigerante es aire. 45. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio refrigerante es aire comprimido que se alimenta desde un compresor. 46. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el álabe de turbina (10) es un álabe del rotor de un motor de turbina de gas. 47. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el álabe (10) es un álabe del rotor de primera etapa de un motor de turbina de gas. 48. Un álabe de turbina (10), de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 45, en el que el álabe de turbina (10) es un álabe del estator de un motor de turbina de gas. 49. Un motor de turbina de gas que incluye una serie de álabes de turbinas, comprendiendo al menos uno de los álabes de turbina un álabe de turbina (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 48. 50. Medios para generar electricidad que incluye un motor de turbina de gas, incluyendo dicho motor de turbina de gas una serie de álabes de turbina, comprendiendo al menos uno de los álabes de turbina un álabe de turbina (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 48. 9 E03748303 28-12-2011   E03748303 28-12-2011   11 E03748303 28-12-2011   12 E03748303 28-12-2011