BR102013009939A2 - Aerodynamic sealing assembly of a rotary machine - Google Patents

Description

“CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO DE UMA MÁQUINA ROTATIVA, DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO PARA COMPONENTES DE TURBINA E MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UM VEDANTE AERODINÂMICO” Declaração sobre pesquisa e desenvolvimento patrocinados pelo governo FEDERAL

Esta invenção foi feita com suporte parcial do Governo, sob o número de contrato DE-FC26-05NT42643 concedido pelo Departamento de Energia dos E.U.A. O Governo tem certos direitos na invenção.

Antecedentes O presente pedido de patente refere-se de modo geral a conjuntos de vedação para turbo-máquinas e mais particularmente refere-se a conjuntos avançados de vedantes aerodinâmicos para vedar folgas rotor/estator e similares. Vários tipos de turbo-máquinas, tais como motores de turbina a gás, motores de avião e turbinas a vapor, são conhecidos e largamente usados para geração de força, propulsão e similares. A eficiência da turbo-máquina depende, em parte, das folgas entre os componentes internos e o vazamento de fluidos primários e secundários através dessas folgas. Por exemplo, grandes folgas podem ser intencionalmente permitidas em certas interfaces rotor/estator para acomodar grandes, térmica ou mecanicamente induzidos, movimentos relativos. O vazamento de fluidos através dessas folgas, de regiões da alta pressão a regiões de baixa pressão, pode resultar na baixa eficiência da turbo-máquina. Tal vazamento pode impactar a eficiência, na medida em que os fluidos vazados não executam trabalho útil.

Diferentes tipos de sistemas de vedação são usados para minimizar o vazamento de fluido que escoa pela turbo-máquina. Os sistemas de vedação, entretanto, são frequentemente sujeitos a temperaturas i relativamente altas, gradientes térmicos, e expansão e contração térmica e mecânica durante os vários estágios operacionais que podem aumentar ou reduzir a folga. Por exemplo, os vedantes de labirinto tradicionais, que são montados para funcionar com uma folga muito pequena durante a fase transiente de inicialização poderíam funcionar com grandes folgas durante as operações em estado estacionário, por meio disso levando a baixo desempenho na operação de estado estacionário. Há, por isso, um desejo por montagens de vedação compatíveis melhoradas para o uso com turbo-máquinas. Preferencialmente tais montagens de vedação compatíveis podem fornecer vedação mais justa durante as operações de estado estacionário enquanto evitam fricção, desgaste causado por contato e dano durante as operações transientes. Tais conjuntos de vedação deverão melhorar a eficiência geral do sistema embora sejam baratos para fabricar e proporcionam uma vida maior para as partes associadas.

Breve Descricão De acordo com uma realização da invenção, um conjunto de vedação aerodinâmico para uma máquina rotativa é fornecido. O conjunto inclui múltiplos segmentos do dispositivo de vedação, dispostos circunferencialmente intermediários a um invólucro estacionário e a um rotor. Cada um dos segmentos inclui uma placa de sapata com uma seção anterior e uma seção posterior, tendo múltiplos dentes de labirinto entre elas voltados para o rotor. A placa de sapata é configurada para permitir um fluido de alta pressão a uma porção dianteira da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e ainda configurada para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor. O segmento j do dispositivo de vedação também inclui múltiplas molas de fole ou flexoras unidas à placa de sapata e a um elemento de interface superior, em que múltiplas molas de fole ou flexoras são configuradas para permitir ao fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e ao fluido de baixa pressão ocupar uma cavidade posterior. Além disso, os segmentos do dispositivo de vedação incluem um retentor secundário fixado ao elemento de interface superior em uma primeira extremidade e posicionado sobre múltiplas molas de fole ou flexoras e à placa sapata em uma segunda extremidade.

De acordo com uma realização da invenção, um dispositivo de vedação aerodinâmico para componentes de turbina é fornecido. O dispositivo de vedação inclui uma placa de sapata tendo múltiplos dentes de labirinto entre uma seção anterior da sapata e uma seção posterior da sapata que fica voltada para um elemento rotativo. A placa de sapata é configurada para permitir um fluido de alta pressão para uma porção frontal da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e, ainda, configurada para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor. O dispositivo de vedação também inclui múltiplas molas de fole ou flexoras unidas à placa de sapata e a um elemento de interface superior, em que a pluralidade de molas de fole ou flexoras é configurada para permitir ao fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e ao fluido de baixa pressão ocupar uma cavidade posterior. Além disso, o dispositivo de vedação inclui um vedante secundário conectado ao elemento de interface superior em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole e flexoras e a placa de sapata em uma segunda extremidade, em que o vedante secundário disposto dentro do dispositivo de vedação é configurado para formar a cavidade anterior e a cavidade posterior em direção a um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão da máquina rotativa.

De acordo com uma realização da invenção, um método para formação de um vedante de caminho de gás entre um invólucro estacionário de uma máquina rotativa e um elemento rotativo girando em torno de um eixo da máquina rotativa é fornecido. O método inclui dispor múltiplos segmentos do dispositivos de vedação intermediários ao invólucro estacionário e ao elemento rotativo. Cada um dos segmentos do dispositivo de vedação compreende uma placa de sapata que tem uma pluralidade de dentes de labirinto entre uma seção anterior da placa de sapata e uma seção posterior placa de sapata configurada para permitir fluido de alta pressão a uma porção anterior da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e, ainda, configurado para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor. O método também inclui a fixação de múltiplas molas de fole ou flexoras em cada um dos segmentos de dispositivo de vedação à placa de sapata e a um elemento de interface superior, em que a pluralidade de molas de fole ou flexoras é configurada para permitir ao fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e o fluido de baixa pressão ocupar uma cavidade posterior. Além disso, o método inclui a disposição de um vedante secundário dentro de cada um dos segmentos do dispositivo de vedação para formar a cavidade anterior e a cavidade posterior, em que o vedante secundário é ligado ao elemento de interface superior em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole ou flexores e a placa sapata, em uma segunda extremidade.

Desenhos Estes e outros atributos, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem entendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida, com referência aos desenhos anexos nos quais iguais caracteres representam partes semelhantes ao longo dos desenhos, em que: A FIG. 1 é uma visão em perspectiva de um conjunto de vedação aerodinâmico de uma máquina rotativa, conforme uma realização da presente invenção. A FIG. 2 é uma visão em perspectiva de um segmento do dispositivo de vedação, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 3 é uma visão em perspectiva de um segmento de dispositivo de vedação com flexores, de acordo com outra realização da presente invenção. A FIG. 4 é uma visão frontal de parte de um conjunto de vedação aerodinâmico, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 5 é uma visão lateral de um segmento do dispositivo de vedação, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 6 é uma visão de fundo de um segmento do dispositivo de vedação, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 7 mostra uma parte traseira em um segmento de dispositivo de vedação, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 8 mostra uma outra parte traseira em um segmento do dispositivo de vedação, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 9 mostra a curvatura rotor-sapata em um conjunto de vedação aerodinâmico, de acordo com uma realização da presente invenção. A FIG. 10 mostra as etapas de Rayleigh em um segmento do dispositivo de vedação, de acordo uma realização da presente invenção. A FIG. 11 é o diagrama de fluxo que ilustra etapas exemplares envolvidas no método de formação de um vedante aerodinâmico, entre um invólucro estacionário de uma máquina rotativa e um elemento rotativo que gira em torno de um eixo da máquina rotativa, de acordo com uma realização da presente invenção.

Descricão Detalhada Quando introduzidos elementos das várias realizações da presente invenção, os artigos “um", “uma”, “o”, “a” e “dito” são destinados a significar que há um ou mais dos elementos. Os termos “compreendendo”, “incluindo”, e “ter” são destinados a serem inclusivos e significam que podem haver elementos adicionais, diferentes dos elementos listados. Quaisquer exemplos de parâmetros operacionais não são exclusivos de outros parâmetros das realizações descritas. A FIG. 1 é uma visão em perspectiva de um conjunto de vedação aerodinâmico 10 para uma máquina rotativa, de acordo com uma realização da presente invenção. O conjunto de vedação aerodinâmico 10 é circunferencialmente arranjado em volta de um eixo de rotor (não mostrado), de modo que o conjunto de vedação 10 seja intermediário a um invólucro estacionário (não mostrado) e ao eixo de rotor. O conjunto de vedação 10 inclui múltiplos segmentos do dispositivo de vedação 12, localizados adjacentemente um ao outro para formar conjunto de vedação 10. Cada um dos segmentos do dispositivo de vedação 12 inclui uma placa de sapata 14, localizada próximo ao eixo do rotor. Durante a operação da máquina rotativa, a placa de sapata 14 viaja em uma película aerodinâmica fluida acima do eixo do rotor. O conjunto de vedação 10 também inclui múltiplos dentes de labirinto 16 localizados na placa de sapata 14, em um lado voltado para a superfície do eixo do rotor. Os dentes de labirinto substancialmente separam os fluidos de uma região de alta pressão 18 de uma região de baixa pressão 20, em qualquer lado do conjunto de vedação aerodinâmico 10 da máquina rotativa. O conjunto de vedação 10 também inclui múltiplas molas de fole 22 ligadas à placa de sapata 14 e um elemento de interface superior 24. Cada um dos segmentos do dispositivo de vedação 12 são montados em relação ao rotor tal que haja uma folga entre cada placa de sapata Meo eixo do rotor. Os segmentos do dispositivo de vedação 12 também incluem uma folga entre eles. Cada uhi dos segmentos do dispositivo de vedação 12 é descrito em detalhes na FIG; 2, A FIG. 2 é uma visão em perspectiva do segmento do dispositivo de vedação 12, de acordo com uma realização da presente invenção. Como mostrado, o segmento do dispositivo de vedação 12 inclui a placa de sapata 14, com a seção anterior da sapata 26 e a seção posterior da sapata 28, tendo múltiplos dentes de labirinto 16 entre elas, voltados para o eixo do rotor (não mostrado). O segmento do dispositivo de vedação 12 inclui uma ou mais molas de fole, que compreendem uma mola de fole anterior 30 e uma mola de fole posterior 32. O segmento do dispositivo de vedação 12 ainda inclui um vedante secundário 34, ligado ao elemento de interface superior 24 através de uma seção de barra em balanço 36 em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole 30, 32 e a placa de sapata 14, em uma segunda extremidade, em que cada um dos vedantes secundários 34 forma uma linha de contato com a placa de sapata 14 em uma segunda extremidade. Em uma realização, o vedante secundário 34 pode ser diretamente ligado ao elemento de interface superior 24. Como mostrado nesta realização, as molas de fole 30, 32 e o vedante secundário 34 são retas na direção circunferencial. As molas de fole retas 30, 32 e o vedante secundário reto 34 permitem que os estresses mecânicos permaneçam baixos. Em outra realização, as molas de fole 30, 32 e o vedante secundário 34 podem ser curvados na direção circunferencial.

No conjunto de vedação 10 (como mostrado na FIG. 1), os vedantes secundários 12, dos segmentos do dispositivo de vedação limítrofes 12, formam um caminho para um fluxo de fluido entre o elemento de interface superior 24 e a placa de sapata 14, Em uma realização, a mola de fole anterior 30 e mola de fole posterior 32 são localizadas simetricamente de ambos os lados da linha de contato entre o vedante secundário 34 e a placa de sapata 14. Este arranjo simétrico permite à placa de sapata 14 se converter radialmente com mínima inclinação (borda da seção da sapata anterior 26 mais perto do rotor do que da borda da seção da sapata posterior 28 ou vice-versa). A inclinação reduzida causada pelo desenho simétrico também assegura que a placa de sapata 14 possa realizar grandes deslocamentos, tanto radialmente para dentro como radialmente para fora (durante os eventos de crescimento do rotor) de um modo robusto.

Existe um pequeno vazamento além da linha de contato entre o vedante secundário 34 e a placa de sapata 14. O vedante secundário 34 é configurado para particionar o segmento do dispositivo de vedação 12 em uma cavidade anterior 38, em direção ao lado de alta pressão 18 e uma cavidade posterior 40, em direção ao lado de baixa pressão 20 da máquina rotativa.

Em uma realização, como mostrado na FIG. 3, um segmento do dispositivo de vedação 13 inclui múltiplas flexoras 31, 33 conectadas à placa de sapata 14 e ao elemento de interface superior 24. Cada uma das múltiplas flexoras 31, 33 da FIG. 3 ou as molas de fole 30, 32 da FIG. 2 compreende uma largura circunferencial menor do que cada uma das larguras circunferenciais do elemento de interface superior 24 e da placa de sapata 14. Isto assegura que, sob a pressurização da máquina rotativa, os fluidos escoem em volta da mola de fole anterior 30 ou a flexora 31 e pressurizem a cavidade anterior 38. Similarmente, no lado de baixa pressão 20 da máquina rotativa, o fluido de baixa pressão escoa em volta da mola de fole posterior 32 ou da flexora 33, para criar uma baixa pressão atrás do vedante secundário 34, dentro da cavidade posterior 40.

Além disso, em uma realização da FIG. 2, o segmento do dispositivo de vedação 12 inclui ranhuras de alimentação da sapata anterior 42 e ranhuras de alimentação da sapata posterior 44 nos lados da placa de sapata 14, em direção a um lado de alta pressão 18 e a um lado de baixa pressão 20 da máquina rotativa, respectivamente. Uma porção superior 46 da placa de sapata 14 inclui uma largura circunferencial que é mais larga do que uma porção de fundo 48, formando as ranhuras de alimentação 42, 44. Entre os segmentos do dispositivo de vedação adjacente 12, no conjunto de vedação 10, (como mostrado na FIG. 1), existe uma folga entre os vedantes secundários adjacentes 36. Em adição à folga, há folgas radiais como discutido na FIG. 4. A FIG. 4 é uma porção do conjunto de vedação 10 (como mostrado na FIG. 1), que mostra as folgas radiais entre os segmentos do dispositivo de vedação adjacentes (como mostrado na FIG. 1). Como mostrado, os elementos de interface superiores 24, para uma parte do invólucro do estator e tem uma folga estator-estator entre os segmentos do dispositivo de vedação adjacentes 12. Os vedantes secundários adjacentes 34 também revelam uma folga radial. Além disso, na seção da sapata anterior 26 (como mostrado na FIG. 2), a porção superior 46 e a porção de fundo 48 da placa de sapata 14 formam a ranhura de alimentação da sapata anterior 42. Múltiplos dentes de labirinto de sapatas limítrofes formam a folga de segmento entre as sapatas limítrofes. No conjunto de vedação 10, o segmento de folgas radiais entre as placas de sapata limítrofes 14 e os vedantes secundários limítrofes 34 são projetados para que o movimento radial do segmento do dispositivo de vedação 12 em direção ao rotor e qualquer expansão térmica circunferencial dos segmentos 12 não causem ligação de segmento.

Como mostrado na FIG. 2, a placa de sapata 14 também inclui múltiplas portas anteriores 50 localizadas antes da linha de contato no lado de alta pressão 18 da máquina rotativa, para permitir um fluxo axial de um fluido a uma porção anterior de múltiplos dentes de labirinto 16. Ainda, a placa de sapata 14 inclui uma ou mais portas posteriores 52 localizadas após a linha de contato em um lado de baixa pressão 20 da máquina rotativa. Em uma realização, uma ou mais portas posteriores 52 são anguladas em uma direção circunferencial, para conferir um fluxo tangencial a um fluido que escoa de trás dos múltiplos dentes de labirinto 16, para dentro da cavidade posterior 40. Em outra realização, uma ou mais portas posteriores 52 são portas diretas ou portas anguladas circunferenciais para permitir o fluxo de fluido de trás dos dentes de labirinto 16 à cavidade posterior 40 do segmento do dispositivo de vedação 12. A FIG. 5 é uma visão lateral do segmento do dispositivo de vedação 12, de acordo com uma realização da presente invenção. Como mostrado em uma realização, a mola de fole anterior 30 e mola de fole posterior 32 são unidas ao elemento de interface superior 24 e à placa de sapata 14, por juntas de solda. A FIG. 5 também demonstra várias forças de pressão atuando na placa de sapata 14 e no vedante secundário 34. Na cavidade anterior 38 e na cavidade posterior 40, a pressurização do segmento do dispositivo de vedação 12 faz com que a placa de sapata 14 mova-se em direção ao rotor, durante a operação de partida da máquina rotativa. Em um exemplo não restritivo, a placa de sapata 14 pode viajar em uma película de fluido, em um modo aerostático de operação, no qual a espessura da película de fluido pode variar de aproximadamente 3/1000 de polegada a 5/1000 de polegada, dependendo de uma folga inicial do conjunto de vedação com o rotor.

No modo de operação aerostático, a pressurização faz com que o vedante secundário 34 desvie radialmente para dentro empurrando a placa de sapata 14 em direção ao rotor. Enquanto o vedante secundário 34 empurra a placa de sapata 14 em direção ao rotor, as molas de fole 30, 32 suportam e guiam o movimento da placa de sapata 14. À parte de força de contato do vedante secundário e força das molas de fole, a placa de sapata 14 também é submetida a cargas de pressão aerostáticas. Estas cargas de pressão aerostáticas são causadas pela presença de fluido em volta da placa de sapata 14. Como mostrado na face radialmente exterior da FIG. 5, a placa de sapata 14 é submetida a fluido de alta e baixa pressão em ambos os lados da linha de contato de vedação secundária entre o vedante secundário 34 e a placa de sapata 14.

Em uma realização, as portas anteriores 50 e duas ranhuras de alimentação da sapata anterior 42 (como mostrado nas FIG. 2, FIG. 3) trazem o fluido de alta pressão da cavidade anterior 38 a um lado frontal dos múltiplos dentes de labirinto 16. Similarmente, uma ou mais portas posteriores 52 e as ranhuras de alimentação de sapata posterior 44 (como demonstrado nas FIG. 2, FIG. 3) trazem um fluido de baixa pressão da cavidade posterior 40 a um lado posterior dos múltiplos dentes de labirinto 16. Dessa forma, múltiplos dentes de labirinto 16 são submetidos à queda de pressão através do segmento do dispositivo de vedação 12 e realizam a função de proporcionar a restrição de fluxo para o vazamento ao longo da folga sapata-rotor. Devido à presença de portas anteriores 50, todas as faces da placa de sapata 14, a montante do vedante secundário 34 são submetidas a um fluido de alta pressão. Similarmente, uma ou mais portas posteriores 52 asseguram que todas as faces da placa de sapata 14, a jusante do vedante secundário 34 são submetidas a fluido de baixa pressão, Quando a espessura da película de fluido é 3/1000 de polegada a 5/1000 de polegada ou maior, entre a placa de sapata 14 e a superfície do rotor, a rotação do rotor não faz com que à pressão da película de fluido sob a placa de sapata 14 seja significativãmente diferente das pressões altas e baixas causadas pelas portas anteriores 50 e portas posteriores 52. Como consequência, a carga líquida de fluido da placa de sapata 14 é aproximadamente zero. A placa de sapata 14 move-se radialmente para dentro, sob a influência de uma carga líquida de fluido quase zero, uma força de contato de vedação secundária empurrando a placa de sapata 14 para dentro, e as molas de fole apoiando-a contra este movimento radialmente para dentro. A FIG. 6 é uma visão de fundo de um segmento do dispositivo de vedação 12, de acordo com uma realização da presente invenção. Nesta realização, os segmentos do dispositivo de vedação 12 mostram as portas anteriores 50, o que inclui quatro portas. Em outras realizações, as portas anteriores 50 podem ser menos portas ou mais de quatro portas. Na realização atual, as portas anteriores 50 são configuradas para permitir o fluido escoar das portas anteriores 50 à frente de múltiplos dentes de labirinto 16, em uma direção axial. Em outra realização, as portas anteriores 50 são anguladas em uma direção circunferencial para fazer com que o fluido turbilhone, (ganhe velocidade tangencial) enquanto o fluido escoa de uma cavidade anterior 38 a uma porção frontal de múltiplos dentes de labirinto 16. Nesta realização, uma primeira extremidade de porta posterior 52 é mostrada em uma visão de fundo do segmento do dispositivo de vedação 12. A porta posterior 52 conecta a parte traseira dos dentes de labirinto 16 à cavidade posterior 40. Como mostrado, uma primeira abertura de extremidade da porta posterior 52 é localizada em uma primeira borda seção da sapata posterior 28, voltada para a parte traseira dos dentes de labirinto 16. Uma segunda abertura de extremidade da porta posterior 52 na cavidade posterior 40 é mostrada na FIG. 7. Em uma realização, a porta posterior 52 pode ser dividida em mais portas. Em uma realização adicional, uma ou mais portas posteriores 52 são anguladas em uma direção circunferencial para conferir um fluxo tangencial a um fluido que escoa atrás dos múltiplos dentes de labirinto 16, para dentro da cavidade posterior 40. A FIG. 8 mostra outra porta posterior 52 em um segmento do dispositivo de vedação 12, de acordo com uma realização da presente invenção. Nesta realização, uma ou mais portas posteriores 52, são portas diretas ou portas circunferenciais anguladas para permitir um fluxo de fluido de múltiplos dentes de labirinto 16 diretamente a uma cavidade a jusante do segmento do dispositivo de vedação 12. A primeira abertura de extremidade de uma ou mais portas posteriores 52 pode ser localizada na primeira borda da seção da sapata posterior 28, voltada para a parte traseira dos dentes de labirinto 16. Como mostrado nesta realização, a segunda abertura de extremidade de uma ou mais portas posteriores 52 pode ser localizada em uma segunda borda da seção da placa de sapata 14, direcionando o fluxo do fluido de trás dos múltiplos dentes de labirinto 16 diretamente a uma cavidade a jusante do segmento do dispositivo de vedação 12. A FIG. 9 mostra curvatura rotor-sapata no conjunto de vedação aerodinâmico 10, de acordo com uma realização da presente invenção. O conjunto de vedação 10 também opera em um modo aerodinâmico de operação. Quando a folga rotor-sapata começa a reduzir (v.g., durante um evento transiente térmico ou mecânico, causando modificação do espaçamento), a película fina de fluido começa a produzir pressão adicional. Nesta realização, o raio da curvatura da placa de sapata 14 é intencionalmente maior do que o raio do rotor. Por conseguinte, quando a folga rotor-sapata fica pequena (menos do que 1/1000 de polegada), a película de fluido é, ou monotonicamente convergente, ou convergente-divergente na direção da rotação. Esta película de fluido em forma de cunha fluida faz com que a pressão adicional aumente. A física da película fina é bem entendida a partir de mancais hidrodinâmicos ou rolamentos em folha, e pode ser modelada usando modelos de fluxo de fluido apropriados. O princípio básico consiste em que qualquer gradiente negativo na espessura da película de fluido, na direção da rotação, aumentará a pressão na película de fluido acima da sua pressão limite. A pressão adicional causada pela fina película de fluido aperta as molas de fole 30, 32, assim, movendo a placa de sapata 14 radialmente para fora e impedindo o rotor de contatar com a placa de sapata 14. Neste sentido, qualquer excursão externa do rotor é rastreada pela placa de sapata 14 em cada segmento do dispositivo de vedação 12.

Em outra realização, como mostrado na FIG. 10, a película fina de fluido gera força adicional devido à presença de uma ou mais etapas de Rayleigh 60, 62 na placa de sapata 14, na direção da rotação. Como mostrado, a seção da sapata anterior 26 inclui uma primeira etapa de Rayleigh 60 e a seção da sapata posterior 28 inclui uma segunda etapa de Rayleigh 62. Deve ser observado que múltiplas portas anteriores 50 e uma ou mais portas posteriores 52 também servem ao propósito de portas de refrigeração, para levarem o calor adicional que podería ser gerado no modo de operação aerodinâmico de película fina da operação de vedação. A presença de duas seções de sapatas, isto é, seção da anterior da sapata 26 e a seção posterior da sapata 28 permitem a geração de momentos aerodinâmicos (sobre o eixo circunferencial) em ambas as direções. Por exemplo, se a placa de sapata 14 for inclinada tal que uma borda posterior da seção posterior da sapata 28 fique mais perto do rotor do que a borda anterior da seção posterior da sapata 26, então a seção posterior da sapata 28 gerará mais força aerodinâmica do que a seção anterior da sapata 26 e o momento aerodinâmico resultante corrigirá a inclinação da sapata. Similarmente, a seção anterior da sapata 26 permite a correção da inclinação aerodinâmica no caso em que a seção anterior da sapata 26 esteja mais perto do rotor. No geral, um arranjo de sessão de duas sapatas, com incompatibilidade de curvatura com o rotor ou uma ou mais etapas de Rayleigh 60, 62 permite o comportamento de autocorreção da vedação, que pode corrigir não somente modificações de espaçamento radiais mas também inclinações para frente e para trás no vedante.

Em um exemplo não restritivo, ambos, as molas de fole 30, 32 e o vedante secundário 34, (como mostrado na FIG. 2) são formados de calços de i liga metálica de alta temperatura como Inconel X750 ou Rene41. Ambas as ' ! extremidades das molas de fole 30, 32 são soldadas ao elemento de interface superior 24 e à placa de sapata 14. O vedante secundário 34 é colocado em balanço (soldado) ao estator ou elemento de interface superior 24 e livre para deslizar axialmente na superfície da sapata. Na presente realização, a extremidade livre do vedante secundário 34 toca a placa de sapata 14 (como mostrado) e permanece sempre em contato com a placa de sapata 14. Em uma realização, pode haver uma folga (sem contato) entre o vedante secundário 34 e a placa de sapata 14 antes da pressurização, e esta folga fechará mediante pressurização para estabelecer um contato entre o vedante secundário 34 e a placa de sapata 14. Em uma realização, a placa de sapata 14 e a peça de interface do estator ou o elemento de interface superior 24 é usinada ou fundida. Em uma realização, a superfície mais radialmente interna da sapata pode ser recoberta por revestimentos lubrificantes como NASA PS304 ou NASA PS400 ou um revestimento lubrificante sólido, similar, que pode lidar com fricções não intencionais entre a placa de sapata Meo rotor, no ambiente de condições operacionais do vedante. Em outra realização, a superfície de rotor tendo interface com a placa de sapata 14 pode ser recoberta de carboneto de cromo ou nitreto de titânio e alumínio ou revestimentos similares, para melhorar a dureza do rotor, resistência à corrosão e capacidade de manter o bom acabamento superficial. A FIG. 11 é o diagrama de fluxo 100 ilustrando as etapas envolvidas no método de formação de um retentor aerodinâmico entre um invólucro estacionário de uma máquina rotativa e um elemento rotativo girando em torno de um eixo da máquina rotativa, de acordo com uma realização da presente invenção. Na etapa 102, o método inclui a disposição de múltiplos segmentos do dispositivo de vedação intermediários ao invólucro estacionário e ao elemento rotativo, em que cada um dos segmentos do dispositivo de vedação inclui uma sapata, tendo múltiplos dentes de labirinto entre uma seção anterior da sapata e uma seção posterior da sapata. A sapata ainda inclui uma ranhura de alimentação da sapata anterior e uma ranhura de alimentação da sapata posterior, nos lados da sapata, em direção a um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão respectivamente. Na etapa 104, o método inclui fixar uma pluralidade de molas de fole em cada um dos segmentos do dispositivo de vedação à sapata, e a um elemento de interface superior. Finalmente, na etapa 106, o método inclui dispor um retentor secundário em cada um dos segmentos de dispositivo de vedação para formar uma cavidade anterior e uma cavidade posterior, em que o vedante secundário é fixado ao elemento de interface superior através de uma seção de barra em balanço em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole e a sapata em uma segunda extremidade.

Vantajosamente, os presentes conjuntos de vedação aerodinâmicos são confiáveis e robustos para várias localizações no maquinário rotativo com altas quedas de pressão e grandes transientes. Os conjuntos de vedação são também econômicos para fabricar. A operação de não contato dos vedantes os faz especialmente atraentes para as locações transientes de grandes rotores. Além disso, a presente invenção permite o controle independente da dureza da mola e a capacidade de resistência à pressão (porque as molas não são carregadas com pressão), por meio disso, permitindo o desenho de vedações compatíveis que resistem, ainda, quedas de alta pressão. Além disso, a presente invenção permite que uma sapata permaneça paralela ao rotor, na operação aerostática, e translade paralelamente ao rotor, durante o modo aerodinâmico. A presente invenção também inclui maior previsibilidade para o movimento radial (maior previsibilidade para robustez e performance de vazamento).

Além disso, o versado reconhecerá a permutabilidade de vários atributos de realizações diferentes. Similarmente, várias etapas do método e os atributos descritos, bem como outros equivalentes conhecidos para cada um, tais métodos e atributos, podem ser misturados e combinados por uma habilidade ordinária nesta técnica, para construir sistemas adicionais e técnicas de acordo com princípios desta revelação. Naturalmente, deve ser entendido que não necessariamente todos os tais objetos ou vantagens descritos acima podem ser alcançados, de acordo com qualquer realização particular. Dessa forma, por exemplo, os versados na técnica reconhecerão que os sistemas e técnicas descritos neste pedido podem ser personificados ou realizados de uma maneira que alcança ou otimiza uma vantagem ou grupo de vantagens como ensinadas neste pedido, sem alcançar necessariamente outros objetos ou vantagens como podem ser ensinados ou sugeridos neste pedido.

Enquanto somente certos atributos da invenção foram ilustrados e descritos aqui, muitas modificações e alterações ocorrerão àqueles versados na técnica. Por isso, deve ser entendido que as reivindicações se destinam a cobrir todas tais modificações e alterações que se enquadram no verdadeiro espírito da invenção.

Reivindicações

Claims (25)

1. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO DE UMA MÃQUINA ROTATIVA, sendo que o conjunto de vedação compreende: uma pluralidade de segmentos do dispositivo de vedação dispostos circunferencialmente intermediários a um invólucro estacionário e um rotor, em que cada um dos segmentos compreende: uma placa de sapata com uma seção anterior de sapata e uma seção posterior de sapata tendo uma pluralidade de dentes de labirinto entre elas voltadas para o rotor, em que a sapata é configurada para permitir um fluido de alta pressão a uma porção frontal da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e, ainda, configurada para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor, uma pluralidade de molas de fole ou flexoras conectadas à placa de sapata e a um elemento de interface superior, em que a pluralidade de molas de fole ou flexoras é configurada para permitir o fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e o fluido de baixa pressão ocupar uma cavidade posterior; e um vedante secundário fixado ao elemento de interface superior, em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole ou flexoras e a placa de sapata em uma segunda extremidade.

2. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 1, em que a sapata compreende uma ranhura de alimentação da sapata anterior, formada devido à largura circunferencial diferente de uma porção superior da placa de sapata e da seção anterior da placa de sapata, em direção a um lado de alta pressão da máquina rotativa.

3. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 2, em que a placa de sapata compreende uma ranhura de alimentação da sapata posterior, formada devido à largura circunferencial diferente da porção superior da placa de sapata e da seção posterior da placa de sapata, em direção a um lado de baixa pressão da máquina rotativa.

4. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 1, em que cada uma da pluralidade de molas de fole compreende uma largura circunferencial menor do que cada largura circunferencial do elemento de interface superior e da placa de sapata.

5. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 1, em que a pluralidade de molas de fole compreende uma mola de fole anterior e uma mola de fole posterior.

6. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 5, em que cada um dos segmentos do dispositivo de vedação compreende uma linha de contato entre o vedante secundário e a placa de sapata, separando a mola de fole anterior e a mola de fole posterior, simetricamente ou quase simetricamente, de ambos os lados da linha de contato entre o vedante secundário e a placa de sapata.

7. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 6, em que a placa de sapata compreende uma pluralidade de portas anteriores localizadas antes da linha de contato, em um lado de alta pressão da máquina rotativa, para permitir um fluxo axial de um fluido a uma porção anterior da pluralidade de dentes de iabrinto.

8. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 7, em que a pluralidade das portas anteriores é ajustada em uma direção circunferencial, para fazer com que o fluido turbilhone à medida que o fluido escoa da cavidade anterior a uma porção anterior da pluralidade de dentes de labirinto.

9. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 8, em que a cavidade anterior é formada pelo elemento de interface superior, pelo vedante secundário, pela mola de fole anterior anterior e pela placa de sapata, em um lado de alta pressão da máquina rotativa.

10. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 6, em que a placa de sapata compreende uma ou mais portas posteriores localizadas após a linha de contato, em um lado de baixa pressão da máquina rotativa e configurado para unir uma parte traseira da pluralidade de dentes de labirinto à cavidade posterior.

11. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 10, em que a cavidade posterior é formada pelo elemento de interface superior, pelo vedante secundário, pela mola de fole posterior e pela placa de sapata, em um lado de baixa pressão da máquina rotativa.

12. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 10, em que uma ou mais portas posteriores são anguladas em uma direção circunferencial, para gerar um fluxo tangencial a um fluido escoando por trás da pluralidade de dentes de labirinto para dentro da cavidade posterior.

13. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 10, em que uma ou mais portas posteriores são portas diretas ou portas anguladas circunferenciais, para permitir o fluxo de um fluido da pluralidade dos dentes de labirinto a uma cavidade a Jusante do segmento do dispositivo de vedação.

14. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a_reivindicação 1, em que cada uma das seções de sapata anteriores e da seção de sapata posteriores compreende uma etapa de Rayleigh para gerar uma película fina para um impulso ascendente adicional no segmento do dispositivo de vedação.

15. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 1, em que um lado da placa de sapata em frente ao rotor compreende um raio de curvatura diferente do raio da curvatura do rotor.

16. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 15, em que o raio da curvatura do lado da placa de sapata em frente ao rotor é mais do que o raio da curvatura do rotor.

17. DISPOSITIVO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO PARA COMPONENTES DE TURBINA, que compreende: uma placa de sapata, tendo uma pluralidade de dentes de labirinto entre uma seção da sapata anterior e uma seção da sapata posterior em frente a um elemento rotativo, em que a placa de sapata é configurada para permitir um fluido de alta pressão a uma porção anterior da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e, ainda, configurada para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor; uma pluralidade de molas de fole ou flexoras conectadas à sapata e a um elemento de interface superior, em que a pluralidade de molas de fole ou flexoras é configurada para permitir o fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e o fluido de baixa pressão ocupar uma cavidade posterior; e um vedante secundário conectado ao elemento de interface superior em uma primeira extremidade e posicionado sobre a pluralidade de molas de fole ou flexoras e a placa de sapata em uma segunda extremidade, em que o vedante secundário é disposto dentro do dispositivo de vedação, para formar a cavidade anterior e cavidade posterior em direção a um lado de alta pressão e um lado de baixa pressão da máquina rotativa.

18. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 17, compreendendo ainda uma ranhura de alimentação da sapata anterior e uma ranhura de alimentação da sapata posterior nos lados da sapata, em direção a um lado de alta pressão e a um lado de baixa pressão da máquina rotativa, respectivamente.

19. CONJUNTO DE VEDAÇÃO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 17; em que cada uma da pluralidade de molas de fole compreende uma largura circunferencial menor do que cada uma das larguras circunferenciais do elemento de interface superior e da placa de sapata.

20. CONJUNTO DE VEDAÇAO AERODINÂMICO, de acordo com a reivindicação 17; compreendendo ainda uma pluralidade de portas anteriores localizadas na cavidade anterior e uma ou mais portas posteriores localizadas na cavidade posterior.

21. MÉTODO DE FORMAÇÃO DE UM VEDANTE AERODINÂMICO, entre um invólucro estacionário de uma máquina rotativa e um elemento rotativo que gira em torno de um eixo da máquina rotativa, sendo que o método compreende: dispor uma pluralidade de segmentos do dispositivo de vedação intermediários ao invólucro estacionário e ao elemento rotativo, em que cada um dos segmentos do dispositivo de vedação compreende uma placa de sapata, tendo uma pluralidade de dentes de labirinto entre uma seção anterior da sapata e uma seção posterior da sapata, configurada para permitir um fluido de alta pressão para uma porção anterior da pluralidade de dentes de labirinto e um fluido de baixa pressão atrás da pluralidade de dentes de labirinto e, 1 i ainda, configurada para gerar uma força aerodinâmica entre a placa de sapata e o rotor; fixar uma pluralidade de molas de fole ou flexoras em cada um dos segmentos do dispositivo de vedação à placa de sapata e a um elemento de interface superior, em que a pluralidade de molas de fole, ou flexoras, é configurada para permitir o fluido de alta pressão ocupar uma cavidade anterior e o fluido de baixa pressão ocupar um cavidade posterior; e dispor um vedante secundário dentro de cada segmento do dispositivo de vedação para formar a cavidade anterior e a cavidade posterior, em que o vedante secundário é fixado ao elemento de interface superior em ado sobre a pluralidade de molas de fole ou flexoras e a placa de sapata em uma segunda extremidade,

22. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, em que a placa de sapata compreende uma ranhura de alimentação da sapata anterior e uma ranhura de alimentação da sapata posterior, nos lados da sapata em direção a um lado de alta pressão e a um lado de baixa pressão, respectivamente.

23. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, em que cada uma das pluralidades de molas de fole compreende uma largura circunferencial menor do que cada uma das larguras circunferenciais do elemento de interface superior e da placa de sapata.

24. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, em que a sapata compreende uma pluralidade de portas anteriores localizadas na cavidade anterior e uma ou mais portas posteriores localizadas na cavidade posterior.

25. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 21, em que a placa de sapata compreende um revestimento lubrificante sólido, escolhido a partir de um grupo de NASA PS304, NASA PS400, grafite, carbono similar a diamante, nitreto de boro hexagonal ou outros revestimentos lubrificantes sólidos similares.