Pala de turbina a gas con refrigeración mejorada.
Un agujero de pala de turbina a gas (1) que comprende:
una primera pared de extremo (10) que tiene un primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) configuradopara recibir aire de refrigeración para refrigerar la primera pared de extremo (10);
un plano aerodinámico (20), que se extiende radialmente desde la primera pared de extremo (10), que incluye,paredes laterales de succión (24) y presión opuesta (22) que se extienden en forma de cuerda (CD) entre un bordede ataque (2) y un borde de salida (3), y que tiene, un pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21), que seextiende radialmente entre los extremos radiales del plano aerodinámico (20), conectado al primer pasaje derefrigeración de pared de extremo (11), la pala (1) comprende adicionalmente:
una segunda pared de extremo (30), en un extremo de plano aerodinámico (20) distalmente radial de la primerapared de extremo (10) que tiene un segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) conectado al pasajede refrigeración de plano aerodinámico (21) con el fin de tener comunicación de aire de refrigeración con el pasajede refrigeración de plano aerodinámico (21), la pala de turbina a gas (1) caracterizada por la combinación de;el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21), que se extiende desde el primer pasaje de refrigeración depared de extremo (11) hasta el segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31), conectado directamenteal primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) con el fin de permitir la recepción exclusiva del aire derefrigeración utilizado para refrigerar la primera pared de extremo (10); el plano aerodinámico (20) comprende unpasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) que se extiende desde una región de un borde de ataque (A) hasta elborde de salida (3) con el fin de permitir que el aire de refrigeración en el pasaje de refrigeración de pared (23, 25,28) enfríe secuencialmente, desde el borde de ataque (2) hasta el borde de salida (3), el plano aerodinámico (20) endonde,
el pasaje de refrigeración (23, 25, 28), en la región de borde de ataque (A), se conecta al pasaje de refrigeración (21)con el fin de permitir que se reciba aire de refrigeración exclusivamente desde el pasaje de refrigeración (21) y, elborde de salida (3) se configura para retirar aire de refrigeración a través de este, y el segundo pasaje derefrigeración de pared de extremo (31) conectado directamente al pasaje de refrigeración de plano aerodinámico(21) con el fin de permitir que el aire de refrigeración refrigere la segunda pared de extremo (30) para que searecibido exclusivamente desde el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21).
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E09160581.
Solicitante: ALSTOM TECHNOLOGY LTD.
Nacionalidad solicitante: Suiza.
Dirección: BROWN BOVERI STRASSE 7 5400 BADEN SUIZA.
Inventor/es: KREISELMAIER,Erich, MCFEAT,Jose Anguisola, NAGLER,Christoph, RIAZANTSEV,Sergei.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F01D5/18 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F01 MAQUINAS O MOTORES EN GENERAL; PLANTAS MOTRICES EN GENERAL; MAQUINAS DE VAPOR. › F01D MAQUINAS O MOTORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO, p. ej., TURBINAS DE VAPOR (motores de combustión F02; máquinas o motores de líquidos F03, F04; bombas de desplazamiento no positivo F04D). › F01D 5/00 Alabes; Organos de soporte de álabes (alojamiento de los inyectores F01D 9/02 ); Calentamiento, aislamiento térmico, refrigeración, o dispositivos antivibración en los álabes o en los órganos soporte. › Alabes huecos; Dispositivos de calentamiento, aislamiento térmico o enfriamiento de los álabes.
PDF original: ES-2389034_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Pala de Turbina a Gas con Refrigeración Mejorada.
CAMPO TÉCNICO
La descripción se relaciona de manera general con palas de turbinas a gas y más específicamente con la configuración de refrigeración de la misma.
Para los propósitos de esta especificación se entiende que el término refrigeración secuencial significa refrigeración en secuencia son adición complementaria del fluido de refrigeración e incluye disposiciones en donde el flujo de refrigeración se divide y recombina secuencialmente para uso en refrigeración adicional.
INFORMACIÓN ANTECEDENTE
El índice de salida de una turbina de gas es una función fuerte de la temperatura de entrada, sin embargo, que tan caliente se puede operar una turbina a gas está limitado por las restricciones metalúrgicas de las partes de la turbina y la efectividad de refrigeración de dichas partes. Para mantener frías las partes y por lo tanto maximizar el rendimiento, el aire de refrigeración retirado del compresor de la turbina a gas se utiliza comúnmente para refrigerar las partes. Sin embargo, esta extracción, representa una pérdida directa en la eficiencia de la turbina a gas y de esta manera es preferible minimizar la extracción, por ejemplo, al asegurar un uso óptimo del aire de refrigeración.
Se ha desarrollado un gran número de diseños de refrigeración con el objetivo de proporcionar refrigeración efectiva. Estos diseños utilizan normalmente una variedad de diseños de refrigeración por convección que incluye características de aumento de refrigeración y esquemas de refrigeración de película con disposiciones de refrigeración por choque. Adicionalmente las disposiciones de refrigeración por convección también pueden incluir características de aumento de refrigeración, que son características que mejoran la efectividad de la refrigeración al aumenta el área de superficie de pared y/o crear turbulencia en la pared. Ejemplos de características de aumento de refrigeración incluyen pasadores proyectados desde las paredes internas de las palas, rebordes posicionados en forma obtusa al flujo de aire de refrigeración y pedestales, que tienen una forma de pasador, proyectados a través del espacio entre el lado de la presión de la pala y las paredes laterales de succión.
Un ejemplo de una solución de disposición de refrigeración se suministra en la Patente Estadounidense No. 7, 097, 418. Se describe una disposición de refrigeración por choque de plano aerodinámico. El documento EP 1 221 538 B1 describe otra disposición que incluye un sistema de refrigeración por choque de plano aerodinámico que utiliza tubos de choque contenidos y particionados dentro de una pluralidad de cavidades del plano aerodinámico. Se describe adicionalmente rebordes en forma de cuerda utilizados para dirigir el flujo medio de refrigeración en la dirección de la forma de la cuerda dentro de estas cavidades.
El documento DE 2 292 858 proporciona una disposición de refrigeración adicional en la que el aire de refrigeración se divide en dos flujos. Un primer flujo se dirige a través del borde de ataque de la pala y luego dentro de una cámara ubicada en la base de la pala que está configurada para minimizar la pérdida de presión. Desde la cámara, se puede dirigir el aire de refrigeración hacia afuera a través de una porción del borde de salida de la pala. Un segundo se flujo se dirige, a través de una ruta de flujo serpenteante, dentro de la sección media de la pala y luego afuera a través del borde de salida de la pala.
A pesar de estas soluciones, subsiste una creciente necesidad de mejorar la utilización del medio de refrigeración con diseños alternos y/o mejorados.
RESUMEN
La invención se relaciona con el problema de la demanda de aire de refrigeración para la refrigeración de las palas y los efectos perjudiciales que tiene esta demanda sobre la eficiencia de la turbina a gas.
Este problema se resuelve por medio de la materia objeto de las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas se suministran en las reivindicaciones dependientes.
El problema se supera utilizando el concepto de refrigeración secuencial de una pared de extremo de la pala y su plano aerodinámico y, al mismo tiempo, las dos paredes de extremo de la pala. Esta disposición se ha calculado para reducir la demanda de aire de refrigeración hasta el 20 % en donde el beneficio real depende de los factores operativos y de diseño.
Un aspecto proporciona un agujero de pala de turbina a gas (1) que comprende:
una primera pared de extremo (10) que tiene un primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) configurado para recibir aire de refrigeración para refrigerar la primera pared de extremo (10) ;
un plano aerodinámico (20) , que se extiende radialmente desde la primera pared de extremo (10) , que incluye, paredes laterales de succión (24) y presión opuesta (22) que se extienden en forma de cuerda (CD) entre un borde de ataque (2) y un borde de salida (3) , y que tiene,
un pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) , que se extiende radialmente entre los extremos radiales del plano aerodinámico (20) , conectado al primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) ,
la pala (1) comprende adicionalmente:
una segunda pared de extremo (30) , en un extremo de plano aerodinámico (20) distalmente radial de la primera pared de extremo (10) que tiene un segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) conectado al pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) con el fin de tener comunicación de aire de refrigeración con el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) ,
la pala de turbina a gas (1) caracterizada por la combinación de;
el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) , que se extiende desde el primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) hasta el segunda pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) , conectado directamente al primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) con el fin de permitir la recepción exclusiva del aire de refrigeración utilizado para refrigerar la primera pared de extremo (10) ;
el plano aerodinámico (20) que comprende un pasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) que se extiende desde una región de un borde de ataque (A) hasta el borde de salida (3) con el fin de permitir que el aire de refrigeración en el pasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) enfríe secuencialmente, desde el borde de ataque (2) hasta el borde de salida (3) , el plano aerodinámico (20) en donde,
el pasaje de refrigeración (23, 25, 28) , en la región de borde de ataque (A) , se conecta al pasaje de refrigeración (21) con el fin de permitir que se reciba aire de refrigeración exclusivamente desde el pasaje de refrigeración (21) y, el borde de salida (3) se configura para retirar aire de refrigeración a través de este, y el segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) conectado directamente al pasaje de refrigeración de plano aerodinámico
(21) con el fin de permitir que el aire de refrigeración refrigere la segunda pared de extremo (30) para que sea recibido exclusivamente desde el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) .
Preferiblemente la pala comprende un hueco en el tubo de choque ubicado en el plano aerodinámico en donde el hueco en el tubo de choque forma el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico. El tubo de choque también puede extenderse preferiblemente en forma de cuerda desde el borde de ataque a través de una región de cuerda media hasta una región adyacente al borde de salida y se puede separar de la pared del lado de presión y la pared del lado de succión. El espacio entre el tubo de choque y las paredes laterales, en un aspecto, dividen el pasaje de refrigeración de pared en estas regiones dentro de un pasaje de refrigeración de pared lateral de presión y un pasaje de refrigeración lateral de succión respectivamente. Adicionalmente el tubo de choque se puede configurar para refrigeración de choque solo de una región de borde de ataque que se extiende en forma de cuerda entre el borde de ataque y la región media de cuerda.
Otro aspecto proporciona la pala con la pared lateral de presión y la pared lateral de succión, en la región media de cuerda, con características de aumento de refrigeración.... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un agujero de pala de turbina a gas (1) que comprende:
una primera pared de extremo (10) que tiene un primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) configurado para recibir aire de refrigeración para refrigerar la primera pared de extremo (10) ;
un plano aerodinámico (20) , que se extiende radialmente desde la primera pared de extremo (10) , que incluye,
paredes laterales de succión (24) y presión opuesta (22) que se extienden en forma de cuerda (CD) entre un borde de ataque (2) y un borde de salida (3) , y que tiene, un pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) , que se extiende radialmente entre los extremos radiales del plano aerodinámico (20) , conectado al primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) , la pala (1) comprende adicionalmente:
una segunda pared de extremo (30) , en un extremo de plano aerodinámico (20) distalmente radial de la primera pared de extremo (10) que tiene un segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) conectado al pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) con el fin de tener comunicación de aire de refrigeración con el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) , la pala de turbina a gas (1) caracterizada por la combinación de;
el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) , que se extiende desde el primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) hasta el segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) , conectado directamente al primer pasaje de refrigeración de pared de extremo (11) con el fin de permitir la recepción exclusiva del aire de refrigeración utilizado para refrigerar la primera pared de extremo (10) ; el plano aerodinámico (20) comprende un pasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) que se extiende desde una región de un borde de ataque (A) hasta el borde de salida (3) con el fin de permitir que el aire de refrigeración en el pasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) enfríe secuencialmente, desde el borde de ataque (2) hasta el borde de salida (3) , el plano aerodinámico (20) en donde,
el pasaje de refrigeración (23, 25, 28) , en la región de borde de ataque (A) , se conecta al pasaje de refrigeración (21) con el fin de permitir que se reciba aire de refrigeración exclusivamente desde el pasaje de refrigeración (21) y, el borde de salida (3) se configura para retirar aire de refrigeración a través de este, y el segundo pasaje de refrigeración de pared de extremo (31) conectado directamente al pasaje de refrigeración de plano aerodinámico
(21) con el fin de permitir que el aire de refrigeración refrigere la segunda pared de extremo (30) para que sea recibido exclusivamente desde el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) .
2. La pala de la reivindicación 1 que comprende un hueco en el tubo de choque (5) ubicado en el plano aerodinámico (20) en donde el hueco en el tubo de choque (5) forma el pasaje de refrigeración de plano aerodinámico (21) .
3. La pala de la reivindicación 2 en donde el tubo de choque (5) se extiende en forma de cuerda (CD) desde el borde de ataque (2) a través de una región media de cuerda (B-C) hasta una región adyacente al borde de salida (D) y se separa de la pared lateral de presión (22) y la pared lateral de succión (24) en donde el espacio entre el tubo de choque (5) y las paredes laterales (22, 24) dividen el pasaje de refrigeración de pared (23, 25, 28) en las regiones dentro de un pasaje de refrigeración de pared lateral de presión (23) y un pasaje de refrigeración de pared lateral de succión (25) respectivamente.
4. La pala (1) de la reivindicación 3 en donde el tubo de choque (5) se configura para refrigeración de choque solo de una región de borde de ataque (A) que se extiende en forma de cuerda (CD) entre el borde de ataque (2) y la región media de cuerda (B-C) .
5. La pala (1) de la reivindicación 3 o 4 en donde el pasaje de refrigeración de pared lateral de presión (23) y el pasaje de refrigeración de pared lateral de succión (25) se configuran para recibir aire de refrigeración exclusivamente del aire de refrigeración utilizado para refrigeración por choque de la región de borde de ataque (A) .
6. La pala (1) de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5 en donde la pared lateral de presión (22) y la pared lateral de succión (24) en la región media de cuerda (B-C) tienen características de aumento de refrigeración.
7. La pala (1) de la reivindicación 6 en donde las características de aumento de refrigeración en una región de la región media de cuerda adyacente a la región de borde de salida (C) se configuran para proporcionar aumento de refrigeración mejorado comparado con las características de aumento de refrigeración adyacentes a la región de borde de ataque (B) .
8. La pala (1) de la reivindicación 7 en donde el aumento de refrigeración mejorado es un resultado de una separación más cercana de las características de aumento de refrigeración en la región de la región media de cuerda adyacente a la región de borde de salida (C) que en la región media de cuerda adyacente al borde de ataque (B) .
9. La pala (1) de la reivindicación 8 en donde los pasajes de refrigeración de pared lateral (23, 25) se configuran para proporcionar diferente resistencia de flujo entre sí.
10. La pala (1) de la reivindicación 9 en donde los pasajes de refrigeración de pared lateral (23, 25) se configuran con el fin de proporcionar una resistencia de flujo al aire de refrigeración, entre sí de tal manera que se
desproporciona en relación con el uso de cargas de calor, en la vecindad de la región media de cuerda (B-C) , de los pasajes de refrigeración de pared lateral (23, 25) .
11. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9 en donde la resistencia al flujo relativo para el aire de refrigeración es tal que, en uso, el flujo de aire de refrigeración se divide entre el pasaje de refrigeración de pared lateral de succión (25) y el pasaje de refrigeración de pared lateral de presión (23) que está entre 65:35 y 75: 25.
12. La pala (1) de las reivindicaciones 9 a 11 en donde la resistencia de flujo relativa al aire de refrigeración es una función de la separación del tubo de choque (5) de las paredes laterales (22, 24) .
13. La pala (1) de la reivindicación 12 en donde el espacio de la reivindicación 12 se define por la extensión de las características de aumento de refrigeración de cada una de las paredes laterales (22, 24) respectivamente.
14. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 13 en donde las características de aumento de 15 refrigeración son pasadores (26) .
15. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 14 en donde el pasaje de refrigeración de pared lateral de succión (25) y el pasaje de refrigeración de pared lateral de presión (23) se unen para formar un pasaje de refrigeración de pared de borde de salida (28) en la región de borde de salida (D) .
16. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 15 en donde la región de borde de salida (D) incluye
rebordes (27) que se extienden en forma de cuerda (CD) para dirigir el aire de refrigeración en una dirección en forma de cuerda (CD) .
Refrigerante dela primerapared lateral
Refrigeración de
Refrigeración de
lado de presión
lado de succión
Región B - Región de bordeRegión B - Región de borde de ataque de cuerda media de ataque de cuerda media refrigerada mediante refrigerada mediante refrigeraciónrefrigeración por convección aumentada por convección aumentada
Región C - Región de bordeRegión C - Región de borde
de salida de cuerda media de salida de cuerda media
refrigerada mediante refrigerada mediante
refrigeraciónrefrigeración por convección aumentada por convección aumentada
Región D - Región de bode de salida refrigerada
Aire de Refrigeración Expulsado
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