ES2239730T3 - Turbina con al menos cuatro etapas y empleo de una pala de turbina con una masa reducida. - Google Patents

Abstract

Turbina, especialmente turbina de gas que presenta como mínimo cuatro etapas de palas (16) de turbina dispuestas en sucesión, de modo que una etapa en cada caso está formada por una serie de palas de rotor y una serie de palas fijas, de modo que las palas (16) de rotor presentan una pieza (34) de base metálica en la que como mínimo la cuarta serie (V4) de palas de rotor presenta palas (16) de rotor en las que como mínimo un 40% del volumen del material presenta una densidad de 4g/cm3 máximo, de manera que la masa es inequívocamente más reducida con respecto a una pala metálica de rotor y las palas (16) de rotor presentan una longitud mínima de 50cm, caracterizada porque la pala (16) de rotor, al menos a partir de un 80% de la longitud (L) de la hoja (28) de la pala en la dirección (19) radial, está hecha tan sólo de cerámica (39).

Description

Turbina con al menos cuatro etapas y empleo de una pala de turbina con una masa reducida.

La invención se refiere a una turbina con al menos cuatro etapas según la reivindicación 1 y al empleo de una pala de turbina con una densidad reducida según la reivindicación 9.

A partir del documento US-PS 3.992.127 se conoce el empleo de palas fijas de turbina de cerámica en turbinas de gas. Se utilizan palas fijas de cerámica porque la cerámica presenta buenas propiedades frente a altas temperaturas. Especialmente en la primera fila detrás de la cámara de combustión (primera etapa de la turbina) aparecen altas temperaturas, qué únicamente puede soportar la cerámica, de modo que las palas de turbina en la primera fila son las más pequeñas.

A partir del documento US-PS 5.743.713 se conoce una pala de cerámica que se introduce en un disco metálico de una turbina.

A partir del documento US-PS 4.563.128 se conoce una pala de cerámica que presenta un núcleo metálico que está recubierto por fuera con cerámica y se extiende hasta un extremo radial de la pala. El porcentaje de volumen del núcleo metálico es muy alto.

El documento US 4.285.634 da a conocer una pala híbrida a partir de un núcleo metálico y una pared fina de cerámica.

El documento US 5.403.153 da a conocer que una aleta de turbina está rellena en su interior con cerámica. La cerámica no forma parte del componente exterior de la pala.

Asimismo, el documento FR 99.820 da a conocer, al igual que el documento US-PS 4.247.259 o el documento GB 2 027 496 una pala de turbina en la que se soporta una fina pared de cerámica mediante un núcleo interior de metal.

Hasta ahora, las palas de rotor de cerámica se emplean únicamente debido a su alta resistencia a la temperatura, en la o en las etapas críticas de temperatura de una turbina, mientras que en las etapas subsiguientes normalmente se emplean palas de rotor metálicas (especialmente de una aleación a base de níquel o de una aleación de titanio-aluminio).

Puede conseguirse un aumento significativo del rendimiento de las turbinas de gas si, como mínimo, a partir de la cuarta etapa se aumentan las palas de rotor de las turbinas, por ejemplo, aproximadamente 20% con respecto a su dimensión convencional. Además, este aumento a partir de la cuarta etapa lleva a un aumento considerable de las fuerzas centrífugas, en el caso de un número de revoluciones invariable, en las palas que junto con los discos a los que están sujetos las palas, someten a éstas a una carga de manera no permitida.

Por tanto, el objetivo de la invención es mostrar una turbina cuyo rendimiento haya aumentado con respecto a una turbina con un conjunto de palas convencional.

El objetivo se alcanza porque la turbina en la cuarta etapa presenta en cada caso palas de rotor fijas con una longitud de al menos 50 cm que tienen un alto porcentaje de un material con una densidad de 4g/cm^{3} como máximo y, por ejemplo, están hechas de cerámica, por lo que la masa con respecto a un conjunto de palas metálicas normales con dimensiones convencionales es claramente más reducida. Por tanto, la longitud de las palas o la longitud de la hoja de las palas puede alargarse considerablemente a diferencia de las palas metálicas.

Asimismo, pueden emplearse palas hechas completamente de cerámica o palas huecas de cerámica que están sujetas en discos metálicos del rotor de la turbina, tal como se conoce a partir del documento US-PS 5.743.713.

También resulta ventajoso emplear palas de rotor de cerámica que presentan un núcleo metálico que está rodeado de cerámica. En este caso, el porcentaje de volumen de la cerámica es muy alto de manera que, con respecto a una pala puramente metálica con un recubrimiento de protección fino de cerámica existente de manera eventual, presenta una masa inequívocamente más reducida.

Otra ventaja de una pala más ligera es que la carga mecánica del disco en el que está sujeta la pala es menor en la rotación debido a la masa adherida más reducida.

En las figuras se muestra la invención de forma esquemática y a continuación se explica detalladamente con detalles adicionales y perfeccionamientos ventajosos.

Muestran

la figura 1, una turbina de gas,

la figura 2, una sub-campo de una turbina de gas con una cuarta etapa de palas de rotor,

la figura 3, una pala de rotor y un disco de rotor,

la figura 4, un corte a lo largo de la línea IV-IV de la figura 3,

la figura 5a, b otros ejemplos de realización de una pala de rotor.

La figura 1 muestra de forma esquemática una turbina, por ejemplo, una turbina 41 de gas en un corte longitudinal. Sin embargo, la invención no se limita a una turbina de gas.

A lo largo de un eje de turbina que presenta un tirante 4 están dispuestos unos detrás de otros un compresor 47, una cámara 50 de combustión y una pieza 53 de turbina. La pieza 53 de turbina presenta un conducto 56 de gas caliente. En el conducto 56 de gas caliente se disponen palas 13, 16 de turbinas de gas. Las palas fijas y las coronas de palas están previstas de manera alternativa en sucesión. Las palas 13, 16 de las turbinas de gas se refrigeran, por ejemplo mediante una refrigeración de aire y/o de vapor. Para esto se retira aire de condensación del condensador 47 y mediante un guiado 63 de aires se alimenta a las palas 13, 16 de las turbinas de gas. Mediante la alimentación 66 de vapor, por ejemplo se alimenta también vapor a las palas 13, 16 de las turbinas de gas. De forma preferida, este vapor proviene de una turbina de vapor de un proceso combinado de gas y vapor.

La figura 2 muestra una sección de una turbina 41 de gas. La turbina 41 de gas tiene un eje de turbina con un tirante 4 que se gira alrededor de un eje 7. En la dirección radial 19 que discurre perpendicular al eje 7 se extienden varias palas 13 fijas y palas 16 de rotor que, por ejemplo, están dispuestas en el conducto 56 de gas. Existen por lo menos cuatro series de palas de rotor y, por ejemplo, cuatro series de palas fijas, por tanto cuatro etapas. La primera serie de palas fijas puede, por ejemplo, sustituirse por una disposición especial de quemadores. Aquí únicamente se muestra una de las palas 16 en la cuarta etapa a modo de ejemplo.

Por ejemplo, las palas 16 de rotor están sujetas a discos (25, figura 3) metálicos en el eje de la turbina unido mediante el tirante 4 y se giran con el tirante 4 alrededor del eje 7.

Las palas 13 fijas están sujetas de manera resistente al giro en una carcasa 10 de la turbina 41 de gas. En la dirección del eje 7 fluye un gas 22 caliente en el dibujo de izquierda a derecha y se representa con una flecha de manera esquemática.

La cuarta serie de palas en la dirección 22 de la corriente se indica con V4. Las palas de rotor en la cuarta etapa son en cada caso palas 16 de rotor que tienen un alto porcentaje de volumen de material de un material con una densidad de 4g/cm^{3} máximo y están hechos, por ejemplo, de cerámica y presentan una longitud de al menos 50 cm, especialmente de al menos 65 cm.

Dado que la densidad de los materiales de cerámica se encuentra en un intervalo de 1,5 a 3,5 g/cm^{3} y con ello claramente por debajo de las densidades de las aleaciones a base de níquel con 8 g/cm^{3} y de las aleaciones de titanio-aluminio de aproximadamente 4,5 g/cm^{3}, una pala de rotor de cerámica de este tipo presenta una reducción de masa inequívoca frente a una pala de rotor metálica correspondiente, de manera que en la rotación de estas palas de rotor aparecen fuerzas centrífugas menores, especialmente en el extremo 37 exterior radial de la pala 16 de rotor, y especialmente cargan la base de la pala 16 de rotor y su tirante de ancla en el eje de la turbina.

Mediante el alargamiento de las palas de rotor de la turbina de la cuarta serie, por ejemplo alrededor de un 20%, puede conseguirse un aumento considerable del rendimiento de las turbinas de gas. Por, ejemplo, las palas de rotor de cerámica son por ejemplo completamente de cerámica, de modo que la cerámica puede estar compuesta de manera ventajosa de diversos recubrimientos de cerámica. De este modo, pueden utilizarse cerámicas oxídicas CMC reforzadas por fibras o cerámicas no oxídicas CMC reforzadas por fibras o cerámicas no oxídicas, como, por ejemplo fibras de carbono o fibras de carburo de silicio en una matriz de carbono o de carburo de silicio. Asimismo, pueden utilizarse sistemas oxídicos, por ejemplo, fibras de mullita o fibras de óxido de aluminio en una matriz de mullita.

Por otra parte, las cerámicas pueden recubrirse con un recubrimiento 36 (figura 4a) de protección contra la corrosión y oxidación, tal como se conoce de las palas de turbina metálicas: óxido de circonio estabilizado con itrio, nitruro de boro, espinelas.

La figura 3 muestra una pala con una longitud L entre la plataforma 17 y el extremo radial de la pala 16 que, por ejemplo, está configurada completamente de cerámica y está insertada en un disco 25 de rotor metálico de modo resistente al giro. El disco 25 metálico está unido con el tirante 4 y se gira con él.

El diámetro del disco 25 no es mayor de lo común y tampoco está expuesto a las temperaturas más altas dentro del conducto 56 de gas caliente, de manera que, en una turbina convencional, puede utilizarse en adelante metal como material para el disco 25.

También es posible utilizar las llamadas palas de turbina híbridas que todavía presentan un núcleo metálico que está rodeado de cerámica, tal como se conoce, por ejemplo, a partir del documento US-PS 4.563.128. El contenido de la publicación de este documento para la construcción de una pala de turbina de cerámica ha de ser expresamente el contenido de la publicación de esta solicitud. También pueden considerarse otros tipos de palas híbridas de turbina.

La figura 4 muestra una pala 16 híbrida. Una hoja 28 de pala está hecha de cerámica 39 en su superficie exterior. En el interior está dispuesto un núcleo 31 metálico, por ejemplo, de una superaleación de níquel y/o de cobalto. El núcleo 31 metálico forma, por ejemplo una pieza 34 base de la pala 16.

En dirección radial 19 se extiende el núcleo 31 metálico no hasta su extremo 37 radial de la pala 16 sino, por ejemplo, hasta un 70% de la longitud de la hoja 28 de la pala en dirección 19 radial, porque si no, las cargas causadas por las fuerzas centrífugas en el número de revoluciones previsto de la turbinas sobrepasarían la sujeción mecánica del núcleo metálico, o de la base de la pala, o del tirante en el eje de la turbina.

El núcleo 31 de metal puede estar hecho al menos parcialmente de espuma metálica para conseguir un ahorro de peso adicional.

El porcentaje de volumen en el material de la cerámica es como mínimo de un 40%, o sobrepasa, por ejemplo, también el del núcleo 31 metálico, de manera que la pala 16 presenta un alto porcentaje de volumen de material de cerámica.

El porcentaje de cerámica 39 puede encontrarse principalmente en el extremo 37 de la pala 16, porque allí aparecen las mayores fuerzas centrífugas (figura 5a). Una parte 38 restante de la pala 16 está hecha de metal, por ejemplo, de una superaleación de níquel y/o de cobalto. Asimismo, la pala 16 híbrida puede realizarse hueca en su interior para una reducción de peso adicional.

También, tal como se representa en la figura 5b, puede estar prevista también una caja 40 de metal, por ejemplo, de una superaleación de níquel y/o cobalto en la que se introduce la pieza de cerámica.

La caja 40 se compone de un borde 70 delantero por el que primeramente entra el medio en la dirección de la corriente, de un borde 73 trasero, una pieza 34 de base y una punta 76, así como de un extremo 37 radial.

La pala 16 de rotor puede también ser hueca en su interior y estar refrigerada mediante refrigeración de aire y/o vapor con o sin orificios para la refrigeración por película líquida.

Hasta ahora no se conoce que puedan emplearse de manera ventajosa palas de rotor cerámicas en una longitud aumentada de forma inequívoca frente a dimensiones convencionales debido a su menor densidad y a la reducción de las fuerzas centrífugas unidas a ellas para aumentar el rendimiento de la turbina.

Claims (9)

1. Turbina, especialmente turbina de gas que presenta como mínimo cuatro etapas de palas (16) de turbina dispuestas en sucesión, de modo que una etapa en cada caso está formada por una serie de palas de rotor y una serie de palas fijas, de modo que las palas (16) de rotor presentan una pieza (34) de base metálica en la que como mínimo la cuarta serie (V4) de palas de rotor presenta palas (16) de rotor en las que como mínimo un 40% del volumen del material presenta una densidad de 4g/cm^{3} máximo, de manera que la masa es inequívocamente más reducida con respecto a una pala metálica de rotor y las palas (16) de rotor presentan una longitud mínima de 50 cm, caracterizada porque la pala (16) de rotor, al menos a partir de un 80% de la longitud (L) de la hoja (28) de la pala en la dirección (19) radial, está hecha tan sólo de cerámica (39).

2. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque la pala (16) de rotor se introduce en cada caso en un disco (25) del rotor metálico.

3. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque la pala (16) de rotor presenta en cada caso un núcleo (31) metálico que está rodeado por cerámica (39).

4. Turbina según la reivindicación 3, caracterizada porque el núcleo (31) metálico está hecho al menos parcialmente de espuma metálica.

5. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque la cerámica presenta un recubrimiento (36) de protección.

6. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque la pala (16) de rotor presenta una longitud de al menos 65 cm.

7. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque la pala (16) de rotor presenta una caja (40) de metal en la que se insertan las piezas (39) de cerámica.

8. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque el material con la densidad de 4g/cm^{3} máximo es cerámica o vidrio.

9. Turbina según la reivindicación 1, caracterizada porque el material con la densidad de 4g/cm^{3} máximo es un material que contiene carburo.