ES2235985T3 - Dispositivo para compensar el empuje axial en motores turbo. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para compensar el empuje axial en motores turbo, con una junta (7) de obturación radial que actúa entre un rotor (2) y una carcasa (3) del motor turbo, con una junta (8) de obturación axial que actúa entre el rotor (2) y la carcasa (3), con un émbolo (9) compensador fijado en el rotor (2), de modo que el émbolo (9) compensador, la carcasa (3), la junta (7) de obturación radial y la junta (8) de obturación axial delimitan una cámara (6) de compensación, de modo que la anchura (S) del intersticio axial de la junta (8) de obturación axial puede variarse de forma análoga al desplazamiento axial funcional del rotor (2), y con un conducto de compensación que causa una compensación de presión entre la zona de baja presión del motor turbo y el dispositivo para compensar el empuje axial, caracterizado porque se prevé la junta (8) de obturación axial entre un área lateral del émbolo (9) compensador y la carcasa (3), porque el émbolo (9) de compensación se solicita con una presión reinanteen la cámara (6) de compensación en función del ancho (S) del intersticio axial, y porque el conducto (10) de compensación presiona con la presión (p2) final otro espacio dispuesto entre la cámara (6) de compensación y el entorno y delimitado por la carcasa (3) y el rotor (2).

Description

Dispositivo para compensar el empuje axial en motores turbo.

La invención se refiere a un dispositivo para compensar el empuje axial en motores turbo según el preámbulo de la reivindicación 1.

Con un dispositivo de este tipo generalmente conocido deben compensarse las fuerzas axiales que aparecen empleando un émbolo compensador. Las fuerzas axiales de este tipo aparecen en turbinas así como también en condensadores. Para mejorar la compensación de las fuerzas se prevén varios émbolos compensadores en una disposición escalonada. El comportamiento de cada nivel de la turbina a vapor se tiene en cuenta porque están previstas varias superficies anulares que se solicitan con las presiones correspondientes reinantes en los niveles. Para esto, se necesitan conductos de compensación de los grupos de niveles y, además, el comportamiento de los niveles debe reproducirse mediante juntas de obturación adecuadas. Sin embargo, con esta disposición tan costosa es posible una compensación de empuje. No obstante, se necesita todavía fundamentalmente un cojinete axial convencional.

A partir del documento DE-GM 17 01 436 se conoce un dispositivo configurado como dispositivo auxiliar para la compensación de fuerza axial que está presente de forma adicional a un cojinete axial. En un funcionamiento normal, el cojinete de presión absorbe las fuerzas axiales. Sólo en casos de sobrecarga del cojinete, es decir, en caso de grandes movimientos axiales del rotor de la turbina, se activa el dispositivo para compensar parcialmente las fuerzas axiales.

A partir del documento DE C 541 079 se conoce una turbina a vapor en la que se consigue una compensación parcial de la fuerza axial mediante un émbolo compensador. En este caso, un espacio limitado por el émbolo de compensación, una junta de obturación axial y una junta de obturación radial está conectado con un escalón inferior o con el condensador. Para impedir daños de las juntas de obturación, sobre todo en la marcha en vacío de la turbina y en estados de funcionamiento no estacionarios, se requiere un dispositivo que aparte de las juntas de obturación el rotor de la turbina a vapor mediante fuerzas externas.

A partir del documento DE 44 22 594 A1 registrado por la misma solicitante, se conoce una turbina de condensación con al menos dos cierres de anillo deslizante para obturar la carcasa de la turbina, en la que el intersticio entre el anillo deslizante y el anillo contrapuesto que gira con el rotor es independiente de la dilatación por calor de la turbina de compensación. Las modificaciones de la longitud que aparecen se compensan porque el anillo contrapuesto sometido a la presión de un resorte es presionado contra el anillo deslizante. Por esto, las fuerzas axiales no pueden regularse por sí mismas mediante la disposición de juntas de obturación conocida a partir del documento DE 44 22 594. Esto tiene lugar mediante un conducto de compensación desde el lado de evacuación del vapor de la turbina de compensación hacia el espacio limitado por dos cierres de anillo deslizante y el émbolo de compensación. Además esta turbina de compensación necesita al menos un cojinete axial para absorber los empujes axiales no compensados.

A partir del documento WO 99/30007 se conoce una turbina con un émbolo compensador en la que se prevé una junta de obturación con forma de cepillo en el émbolo compensador.

Se presenta el objetivo de indicar un dispositivo del tipo mencionado al principio, que permita una compensación del empuje axial lo más completa posible con una estructura sencilla y sin pérdidas dignas de mención en el coeficiente de rendimiento del motor turbo.

Este objetivo se alcanza, según la invención, mediante las características indicadas en la reivindicación 1. Según esto, entre el área lateral del émbolo compensador y la carcasa está prevista una junta de obturación axial, cuya anchura axial del intersticio puede variarse de forma análoga al desplazamiento axial funcional del rodete. El émbolo axial se solicita con la presión reinante en la cámara de compensación en función de la anchura del intersticio axial. El dispositivo según la invención requiere únicamente un espacio anular delimitado por una junta de obturación axial, por una junta de obturación radial, por la carcasa y por el émbolo compensador, otro espacio limitado por el rotor y por la carcasa y un conducto de compensación. No se requiere un cojinete axial. A pesar de esta estructura sencilla, tiene lugar una compensación completa de las fuerzas axiales en todos los estados operativos del motor turbo.

Incluso un desplazamiento axial insignificante del rodete, a través del émbolo compensador conectado también con el rotor, conlleva un cambio de la anchura del intersticio en la dirección axial. La influencia ejercida por esto del efecto de obturación de la junta de obturación axial modifica también la presión que actúa sobre el área del émbolo. La disposición de la junta de obturación según la invención conlleva una regulación de presión automatizada en esta área en la que la posición axial del rodete se ajusta automáticamente y tiene lugar una compensación completa de las fuerzas axiales de los rodetes con la fuerza axial del émbolo compensador. Para esta compensación de empuje regulada por sí misma es necesario emplear una junta de obturación axial con un efecto de obturación excelente porque si no los movimientos axiales del rotor son demasiado grandes.

El diámetro correspondiente de la obturación axial y de la obturación radial se elige en función del diámetro funcional del motor turbo.

Con la elección correcta de estos parámetros, en caso de un intersticio axial extremadamente pequeño de la junta de obturación axial, en la cámara de compensación se ajusta casi la presión inicial del motor turbo, mientras que en caso de un intersticio grande a causa de un conducto de compensación actúa en la cámara de compensación la presión final del motor turbo. Con esto se cubren también los valores extremos de las posibles fuerzas de empuje.

Para que la compensación de todas las fuerzas de empuje posibles pueda realizarse, se adaptan entre sí los efectos de obturación de la junta de obturación axial y de la junta de obturación radial.

La junta de obturación axial está configurada preferiblemente como cierre de anillo deslizante o como junta de obturación en forma de cepillo. La utilización de un cierre de anillo deslizante o de una junta de obturación en forma de cepillo produce una disposición de juntas de obturación rígida que lleva únicamente a desplazamientos pequeños del rodete de la turbina.

Junto a la junta de obturación axial se dispone otra junta de obturación adicional que está equipada con una anchura mayor de intersticio base.

Esta junta de obturación dispuesta de forma contigua sirve como junta de obturación de seguridad. Se utiliza a causa de su anchura base de intersticio mayor, sólo si la junta de obturación principal falla.

Para garantizar estados operativos no estacionarios, puede asociarse al rotor un cojinete axial que, a causa de su anchura de intersticio, se utiliza solamente en caso de abertura extrema de la cámara de obturación y no transmita ninguna fuerza axial en el funcionamiento normal y no cause ninguna pérdida por fricción.

Mediante los ejemplos de realización y los dibujos esquemáticos (figuras 1 a 5) se describe el dispositivo según la invención. En este caso muestran:

la figura 1: un corte longitudinal a través de una zona parcial del motor turbo con una disposición de juntas de obturación,

la figura 2: un corte longitudinal según la figura 1 con otra disposición de juntas de obturación

la figura 3: un detalle parcial con 2 juntas de obturación axiales dispuestas de forma radial,

la figura 4: un detalle parcial con 2 juntas de obturación axiales dispuestas de forma axial y

la figura 5: una disposición según la figura 3 con un cojinete axial.

La figura 1 muestra la zona parcial de un motor 1 turbo con un rotor 2 y una carcasa 3. Entre la carcasa 3 y el rotor 2 están dispuestas varias ruedas de guía y rodetes, no mostrados, en la figura 1, en la zona señalada con 4. Las ruedas de guía conectadas con la carcasa 3 y los rodetes conectados con el rotor 2 son atravesados por un medio alimentado mediante una boquilla 5 que presenta una presión p_{1} inicial. Después de la circulación por las ruedas de guía, el medio presenta una presión p_{2} final.

Del mismo modo, al rotor 2 está unido un disco que gira en una cámara de compensación, el cual forma, en conexión con una junta 7 de obturación radial y una junta 8 de obturación axial, un émbolo 9 compensador. La presión después del émbolo 9 compensador se garantiza mediante un conducto 10 de compensación en un espacio 11 que se solicita con la presión p_{2} final. La junta 8 de obturación axial, configurada a modo de ejemplo como junta de obturación en forma de cepillo, se dispone sobre un diámetro determinado previamente indicado con d y fijado en la carcasa 3. Deja una anchura S de intersticio, denominada como anchura del intersticio axial, respecto a un área lateral del émbolo 9 compensador, reduciéndose la anchura S del intersticio la medida del movimiento de empuje en caso de un movimiento de empuje de los rodetes y del rotor 2 en el sentido F_{ax} de la flecha, ya que el émbolo 9 compensador realiza el movimiento de empuje conjuntamente. Dado que la junta 8 de obturación axial se realiza de manera muy "rígida", su estanqueidad se modifica incluso por pequeños cambios de la anchura S del intersticio en una medida considerable. En caso de una anchura S del intersticio reducida, la presión en la cámara 6 de compensación alcanza casi el nivel de presión de la presión p_{1} inicial. En caso de una anchura S de intersticio grande, se ajusta una presión a causa del conducto 10 de compensación en la cámara 6 de compensación que equivale a la presión p_{2} final. Los diámetros d_{i} y d_{m} (diámetros interno y medio del sistema de álabes) funcionales del motor turbo se adaptan en este caso al diámetro d_{k} de disposición de la junta de obturación axial y al diámetro d_{z}, de la junta 7 de obturación radial, no mostrado en la figura 1, de tal manera que se abarcan todas las zonas límite de la utilización. Mediante el proceso que se regula por sí mismo de manera absoluta se compensa continuamente la fuerza de desplazamiento del recorrido, manteniéndose también el equilibrio de fuerzas en casos de empujes axiales oscilantes.

La figura 2 muestra un detalle parcial de la carcasa 3 con la boquilla 5 para el medio alimentado bajo una presión p_{1} inicial. El rodete en la zona 4 con el diámetro d_{m} medio de su sistema de álabes es atravesado por el medio, lo que conlleva un empuje axial en el sentido F_{ax} de la flecha. El émbolo 9 compensador se adentra en la cámara 6 de compensación, de modo que entre su diámetro d_{z} externo y la carcasa 3 está prevista la junta 7 de obturación radial. En este ejemplo de realización, la junta 8 de obturación axial está configurada como cierre de anillo deslizante que actúa de manera axial, que está hecho de juntas de obturación indivisibles que se deslizan unas sobre otras apoyadas por el fluido. Un anillo 12 deslizante está asociado a la carcasa 3 y un anillo 13 contrapuesto está asociado al émbolo 9 compensador formando una anchura S de intersticio. En caso de una adaptación correcta de la junta 8 de obturación axial y la junta 7 de obturación radial respecto a su efecto de estanqueidad, también puede conseguirse aquí el proceso de regulación descrito en la figura 1.

El detalle según la figura 3 muestra una junta 8 de obturación axial dispuesta de manera radial hacia dentro entre el émbolo 9 compensador y la carcasa 3, con una anchura S de intersticio. Para aumentar la seguridad del funcionamiento se dispone de manera radial hacia fuera otra junta 8a de obturación axial que actúa como junta de obturación de seguridad, que presenta una anchura S_{n} de intersticio mayor que la junta 8 de obturación axial. Por esto, la junta 8a de obturación axial se utilizará sólo en caso de fallo de la junta 8 de obturación axial. Para vigilar el funcionamiento de la junta 8 de obturación principal, la presión en la cámara 6a se mide y se compara con la presión p_{2} final.

En la figura 4 las juntas 8 y 8a de obturación axial están dispuestas en dirección axial unas junto a otras, utilizándose la junta 8a de obturación axial con su anchura S_{n} de intersticio mayor sólo en caso de que fallara la junta 8 de obturación axial. Para vigilar el funcionamiento de la junta 8 de obturación principal, la presión en la cámara 6a se mide y se compara con la presión p_{2} final.

Un detalle de la representación según la figura 1 se muestra en la figura 5. Como perfeccionamiento de la figura 1 está previsto en la figura 5 un cojinete 14 axial para la protección frente a desarrollos operacionales no estacionarios. A causa de las separaciones 15 y 16, el cojinete axial está diseñado, incluyendo una lubricación por inyección, de tal manera que únicamente se utiliza en la zona límite. De esta manera se evitan las pérdidas de lo contrario habituales de este cojinete.

Claims (8)

1. Dispositivo para compensar el empuje axial en motores turbo, con una junta (7) de obturación radial que actúa entre un rotor (2) y una carcasa (3) del motor turbo, con una junta (8) de obturación axial que actúa entre el rotor (2) y la carcasa (3), con un émbolo (9) compensador fijado en el rotor (2), de modo que el émbolo (9) compensador, la carcasa (3), la junta (7) de obturación radial y la junta (8) de obturación axial delimitan una cámara (6) de compensación, de modo que la anchura (S) del intersticio axial de la junta (8) de obturación axial puede variarse de forma análoga al desplazamiento axial funcional del rotor (2), y con un conducto de compensación que causa una compensación de presión entre la zona de baja presión del motor turbo y el dispositivo para compensar el empuje axial, caracterizado porque se prevé la junta (8) de obturación axial entre un área lateral del émbolo (9) compensador y la carcasa (3), porque el émbolo (9) de compensación se solicita con una presión reinante en la cámara (6) de compensación en función del ancho (S) del intersticio axial, y porque el conducto (10) de compensación presiona con la presión (p_{2}) final otro espacio dispuesto entre la cámara (6) de compensación y el entorno y delimitado por la carcasa (3) y el rotor (2).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro (d_{k} y d_{z}) correspondiente de la junta (8) de obturación axial y la junta (7) de obturación radial se elige en función del diámetro funcional (d_{i} y d_{m}) del motor turbo.

3. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque los efectos de obturación de la junta (8) de obturación axial y de la junta (7) de obturación radial se adaptan entre sí.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la junta (8) de obturación axial es un cierre de anillo deslizante.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la junta (8) de obturación axial es una junta en forma de cepillo.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la junta (8) de obturación axial es una junta adaptable con un ancho de intersticio pequeño.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al lado de la junta (8) de obturación axial se dispone una junta (8a) de obturación axial adicional que está dotada de un ancho (S_{n}) mayor de intersticio base.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al rotor se le asocia un cojinete (14) axial para protegerse de estados operacionales no estacionarios.