BR102017027016B1

BR102017027016B1 - Junta de expansão e método para conectar de forma vedante um primeiro e um segundo componente da turbina

Info

Publication number: BR102017027016B1
Application number: BR102017027016-5A
Authority: BR
Inventors: Marco Pieri
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2023-01-10
Also published as: JP7004553B2; US10619502B2; US20180171813A1; IT201600126878A1; EP3336403B1; JP2018138783A; BR102017027016A2; EP3336403A1

Abstract

Uma junta de expansão para conectar de forma vedante um primeiro e um segundo componente da turbina, tendo aberturas de paredes coaxiais com passagens de fluido em deslocamento relativo, as aberturas definindo uma reentrância com superfícies axiais opostas atuando como sede para a junta no primeiro e o segundo componente da turbina, a junta compreendendo um anel de vedação adaptado para ser eliminado na reentrância, como engatar axialmente e radialmente com as superfícies da reentrância ao redor das passagens de fluido, um anel intermediário adaptado para ser interposto entre o anel de vedação e a superfície radial do primeiro componente da turbina, em que o anel intermediário tem aberturas axialmente engatadas com protuberâncias do anel de vedação para prevenir rotação relativa.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a juntas de expansão para conectar de forma vedante dois componentes da turbina às interfaces coaxiais que estão em deslocamento relativo, e métodos para conectar os componentes da turbina.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Em turbinas a vapor, o vapor é usado como meio de fluxo que pode ter uma temperatura de mais de 600°C a uma pressão de mais de 300 bar. Essas altas temperaturas e pressões, aumentam as exigências sob os materiais da turbina a vapor. Em particular, a região da admissão de vapor é termicamente e mecanicamente altamente estressada.

[0003] Uma turbina a vapor normalmente tem um compartimento interno, um compartimento externo que são dispostos ao redor do compartimento interno, e um rotor que é montado de forma giratória dentro do compartimento interno. O vapor vivo flui através do compartimento externo e do compartimento interno em uma passagem de fluxo para chegar ao rotor. As regiões de interface coaxial entre os compartimentos estão termicamente altamente estressadas e em deslocamento relativo.

[0004] Para acomodar o diferencial de expansão térmica dos compartimentos enquanto substancialmente prevenindo o vazamento de vapor de alta pressão entre si, é uma prática comum fornecer uma junta de expansão tipo deslizante do tipo mostrado na Figura 1.

[0005] Os compartimentos internos e externos (1), (2) têm aberturas nas paredes, coaxiais com as correspondentes passagens de fluido (3), (4), definindo uma reentrância cilíndrica com superfícies axiais opostas, (102), (201) que atuam como sede para a junta. Um anel de vedação (5) é disposto na reentrância, como para engatar axialmente e radialmente com as reentrâncias (102), (201) ao redor das passagens de fluido (3), (4). Uma bucha (7) é apertada no compartimento interno (1) para formar um conduto limítrofe que tem um anel de retenção (107) bloqueando axialmente o anel de vedação (5).

[0006] Devido à operação instável caracterizada pelo gradiente de alta pressão e alta temperatura, causando diferencial de expansão e contração térmica e fortes vibrações turbulentas, as interfaces entre os compartimentos estão em deslocamento relativo quando em uso. Para prevenir rotação, a sede (201) no compartimento interno (1) tem um formato que acopla uma seção correspondente do anel de vedação (5). Conforme mostrado na Figura 2a. Em operação, devido à alta temperatura, alta pressão, alta velocidade e turbulência do vapor, o anel de vedação tende a vibrar e girar. Isto determina um vão não perfeitamente uniforme (401) entre a sede e o anel conforme mostrado pelas setas na Figura 2b, causando um desgaste lateral da sede nestas zonas (401) tendo folga reduzida (consulte a Figura 2c). Esta solução não é, portanto, não robusta em relação a rotação.

[0007] Uma alternativa para uma junta de sede quadrada é o dispositivo divulgado na patente US 2.863.632. A junta de expansão do anel deslizante deste documento é, no entanto, de preferência complexa e cara, uma vez que requer uma configuração de pacote de anéis múltiplos.

[0008] Portanto, existe a necessidade de uma junta de expansão para conectar de forma vedante dois componentes da turbina, que são robustos para comportamento antirrotação e ao mesmo tempo simples, barata e fácil de instalar também para reformar unidades existentes/danificadas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0009] De acordo com as primeiras realizações exemplares, há uma junta de expansão para conectar de forma vedante um primeiro e um segundo componente da turbina que tem aberturas de paredes coaxiais com passagens de fluido no deslocamento relativo, as aberturas definindo uma reentrância com superfícies axiais opostas atuando como sede para a junta no primeiro e no segundo componente da turbina, a junta compreendendo: - um anel de vedação adaptado para ser disposto na reentrância, como para engatar axialmente e radialmente com as superfícies da reentrância ao redor das passagens de fluido, - um anel intermediário adaptado para ser interposto entre o anel de vedação e a superfície rebaixada do primeiro componente da turbina, em que o anel intermediário tem aberturas que engatam axialmente com protuberâncias do anel de vedação para prevenir a rotação relativa.

[0010] De acordo com segundas realizações exemplares, há um método para conectar de forma vedante um primeiro e um segundo componente da turbina.

[0011] Os componentes da turbina, como os compartimentos interno e externo de uma turbina, têm aberturas nas paredes que definem uma reentrância coaxial com passagens de fluido em deslocamento relativo. A reentrância do primeiro componente da turbina tem o formato de um orifício cilíndrico com uma superfície inferior circular, enquanto a reentrância do segundo componente da turbina tem o formato de orifícios cilíndricos coaxiais com o orifício interno tendo um diâmetro menor que o diâmetro do orifício externo de modo a definir uma superfície circular inferior e uma superfície anular intermediária.

[0012] Especificamente, o método compreende as operações de: - apertar o anel rosqueado intermediário, que tem uma porção de extremidade flangeada e aberturas circunferenciais, na parede lateral do orifício interno do primeiro componente da turbina até a porção de extremidade flangeada do anel intermediário estar posicionada sobre a superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina; - colocar sobre a porção de extremidade flangeada um anel de vedação que tem elementos limítrofes circunferenciais na direção axial de modo a engatar com as aberturas circunferenciais do anel intermediário para prevenir rotação relativa do anel de vedação em relação ao anel intermediário.

[0013] A introdução de um anel intermediário entre o anel de vedação e o compartimento interno evita o contato direto do anel de vedação com o compartimento interno e, assim, o deslizamento e esmerilhamento do anel na sede, preservando assim a integridade da junta. Além disso, a simetria circular do anel de vedação com superfícies de bloqueio de direção normal elimina a necessidade de uma sede quadrada causando desgaste lateral não uniforme, levando assim a um dispositivo muito compacto, robusto e altamente útil.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0014] Essas e outras características, aspectos e vantagens da matéria em questão serão melhor entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida com referência às figuras que acompanham, na qual caracteres semelhantes representam partes semelhantes ao longo das figuras, em que: - A Figura 1 mostra uma vista em corte de uma junta de expansão com uma sede quadrada de acordo com o estado da técnica; - A Figura 2 mostra um esboço exemplar para mostrar desgaste lateral não uniforme da sede quadrada da Figura 1. A Figura 2a mostra um caso ideal onde o anel de vedação está uniformemente espaçado da sede. A Figura 2b mostra um caso real onde o vão entre a sede e o anel de vedação não está uniformemente distribuído. A Figura 2c mostra zonas de contatos e, assim, o desgaste entre o anel de vedação e a sede causado por rotação; - A Figura 3 mostra um esboço exemplar para mostrar aprimoramentos de acordo com realizações no presente pedido. A Figura 3a mostra um caso ideal onde o anel de vedação circular está uniformemente espaçado da sede circular. A Figura 3b mostra um caso real onde o vão entre a sede e o anel de vedação não está uniformemente distribuído. A Figura 3c mostra as zonas de contatos e, assim, o desgaste entre o anel de vedação e a sede não ocorrem devido à simetria circular mesmo em caso de rotação do anel de vedação; - A Figura 4 mostra uma vista em corte de uma junta de expansão de acordo com uma realização exemplar; - A Figura 5 mostra uma vista tridimensional (Figura 5a), uma vista inferior (Figura 5b) e uma vista em corte lateral (Figura 5c) de um anel intermediário de acordo com realizações no presente pedido; - A Figura 6 mostra uma vista tridimensional (Figura 6a), uma vista inferior (Figura 6b) e uma vista em corte lateral (Figura 6c) de um anel de vedação de acordo com realizações no presente pedido; - A Figura 7 mostra uma vista superior (Figura 7a) e uma vista em corte lateral (Figura 7b) de uma bucha de acordo com realizações no presente pedido; e - A Figura 8 mostra uma vista parcial em corte de uma junta de expansão de acordo com a uma realização adicional.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0015] A divulgação a seguir descreve em detalhes várias realizações de uma junta de expansão para conectar de forma vedada dois componentes da turbina às interfaces coaxiais que estão em deslocamento relativo. Na Figura 4 uma vista em seção transversal de uma junta de expansão de acordo com uma realização é mostrada em um estado montado para conectar dois componentes da turbina (1), (2). Os componentes da turbina, como os compartimentos interno e externo de uma turbina, têm aberturas nas paredes que definem umas reentrâncias coaxiais com passagens de fluido (3), (4). Devido à operação instável caracterizada pelo gradiente de alta pressão e alta temperatura, causando diferencial de expansão e contração térmica e fortes vibrações turbulentas, as interfaces entre os dois componentes da turbina estão em deslocamento relativo quando em uso. A reentrância do segundo componente da turbina (2) tem o formato de um orifício cilíndrico com uma superfície inferior circular (102), enquanto a reentrância do primeiro componente da turbina (1) tem o formato de dois orifícios cilíndricos coaxiais com orifício interno tendo um diâmetro menor que o diâmetro do orifício externo de modo a definir uma superfície circular inferior (101) e uma superfície anular intermediária (201).

[0016] A junta compreende um anel de vedação (5) disposto na reentrância de modo a se engatar axialmente e radialmente com as superfícies com reentrâncias (201) do componente da turbina (1). O contato do anel de vedação (5) e da superfície (201) entretanto não é direto, mas com interposição de um anel intermediário (6) tipicamente de material mais duro do que o componente da turbina (1).

[0017] Conforme melhor mostrado na Figura 5, para obter uma boa fixação no componente da turbina (1), o anel intermediário (6) tem vantajosamente o formato de um cilindro rosqueado (506) com uma porção de extremidade flangeada (106) atuando como uma bucha que é apertada na parede lateral (301) do furo interno do da turbina (1) até que a porção de extremidade flangeada (106) repouse sobre a superfície intermediária (201). A parede lateral se alinha axialmente com a passagem de fluido (3). O anel intermediário (6) tem aberturas na porção de extremidade flangeada (106). Na realização mostrada, as aberturas estão sob a forma de duas ranhuras circunferenciais simétricas (206) delimitadas por superfícies laterais axiais (306), mas obviamente elas podem ser de qualquer tipo, número e disposição enquanto o anel de vedação (5) tem protuberâncias correspondentes que envolvem a rotação relativa do bloco.

[0018] Os furos piloto (406) na porção de extremidade flangeada (106) são fornecidos para fixar o anel intermediário (6) aos componentes da turbina (1), por exemplo, com pinos.

[0019] A Figura 6 mostra o anel de vedação (5) sob a forma de um cilindro, em uma extremidade, com protuberâncias circunferenciais (105) que tem superfícies laterais axiais (205) complementares às superfícies laterais axiais do anel intermediário (6).

[0020] Mediante montagem da junta, o anel de vedação (5) é colocado na porção de extremidade flangeada (106) do anel intermediário (6) com as protuberâncias limítrofes circunferenciais (105) que se engatam axialmente com as aberturas circunferenciais (206) do anel intermediário (6) para prevenir a rotação relativa do anel de vedação (5) com relação ao anel intermediário (6).

[0021] Existe uma folga radial (401), (402) entre o anel de vedação (5) e as paredes laterais do dito primeiro componente que define a reentrância que recebe o anel de vedação (5) nos componentes da turbina (1) para permitir que o anel de vedação (5) deslize na sede da junta. A dita folga (401), (402) é necessária para os propósitos de montagem e para permitir a expansão térmica das peças em contato.

[0022] Um elemento da bucha (7) é fornecido para se engatar com a parede lateral do anel intermediário (6) para formar um conduto limítrofe tronco-cônica na comunicação fluida com passagem de fluxo (3). O elemento da bucha (7) tem uma superfície limítrofe radial (107) que atua sobre uma superfície anular (305) do anel de vedação (5) para exercer uma função de retenção na porção terminal (405) do anel de vedação (5) em direção ao anel intermediário (6).

[0023] Os elementos de fixação são fornecidos para fixar o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6). Na realização mostrada na Figura 7, os elementos de fixação compreendem pinos para serem inseridos nos furos pilotos (207), desde que a periferia do elemento da bucha (7) fixe o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6) e roscas (307), (606) para apertar o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6).

[0024] A introdução do anel intermediário entre a bucha rosqueada e o compartimento interno evita o contato direto do anel de vedação com o compartimento interno. Além disso, evita que o anel de vedação gire, visto que a interface de contacto deslizante convencional na sede quadrada é substituída pela interface de contato normal no anel intermediário, que vem com superfícies endurecidas para limitar o desgaste dos componentes.

[0025] O uso de sede circular ao invés de uma sede quadrada é particularmente vantajoso. Isto pode ser apreciado olhando os esboços da Figura 3. A Figura 3a mostra um caso ideal onde o anel de vedação circular (5) está uniformemente espaçado da sede circular (201). A Figura 3b mostra um caso real onde o vão (401) entre a sede (201) e o anel de vedação (5) não é uniformemente distribuído devido à tolerância de posição e ao efeito de deslocamento relativo dos componentes durante a operação. A Figura 3c mostra as zonas de contatos e, assim, o desgaste entre o anel de vedação e a sede não ocorre devido à simetria circular. Pelo contrário, nas sedes quadradas, conforme mostrado na Figura 2, uma ligeira diferença no vão (401) é suficiente para causar pontos de contato que levam ao desgaste lateral mesmo em pequenos ângulos de rotação.

[0026] Para montar a junta, uma realização prevê: - apertar o anel rosqueado intermediário, que tem uma porção de extremidade flangeada e aberturas circunferenciais, na parede lateral do orifício interno do primeiro componente da turbina até a porção de extremidade flangeada do anel intermediário estar posicionada sobre a superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina; - colocar na porção de extremidade flangeada um anel de vedação que tem elementos limítrofes circunferenciais na direção axial, de modo a se engatar com as aberturas circunferenciais do anel intermediário para prevenir rotação relativa do anel de vedação em relação ao anel intermediário; - apertar um elemento da bucha na parede lateral do anel intermediário voltado para o furo interno para formar um conduto limítrofe na comunicação de fluido com a passagem de fluxo do primeiro componente da turbina.

[0027] A operação de aperto do elemento da bucha vantajosamente compreende empurrar uma superfície radialmente limítrofe do elemento de bucha em direção a uma superfície anular do anel de vedação para manter o anel de vedação em direção à porção de extremidade flangeada do anel intermediário.

[0028] Antes de colocar o anel de vedação na porção de extremidade flangeada do anel intermediário, o anel intermediário pode ser fixado ao primeiro componente da turbina por: - perfuração de orifícios na superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina em correspondência com os furos pilotos (406) fornecidos na porção de extremidade flangeada do anel intermediário; - inserção de pinos nos furos pilotos (406) e nos orifícios conforme furados para fixar a porção de extremidade flangeada à superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina.

[0029] Depois de apertar, a fixação do elemento da bucha (7) pode ser ainda melhorada por: - perfuração de orifícios no componente (6) em correspondência com furos piloto (207) fornecidos no elemento da bucha (7); - inserção de pinos nos furos pilotos e nos orifícios conforme perfurados para fixar a porção de extremidade flangeada à superfície anular intermediária do componente 6, preferencialmente preferência em toda a rosca entre o dito componente (6) e o dito elemento da bucha (7).

[0030] Todos os pinos ou parte deles podem ser vantajosamente soldados.

[0031] A operação final refere-se ao acoplamento do segundo componente da turbina ao primeiro componente da turbina por deslocamento axial do primeiro e/ou do segundo componente da turbina para permitir que a parte exposta do anel de vedação seja inserida na reentrância do segundo componente da turbina para obter a montagem conforme mostrado na Figura 8. Toma-se cuidado para permitir folga axial (403) entre o componente (2) e o anel de vedação (5).

[0032] A descrição acima de realizações exemplares refere-se aos desenhos anexos. Os mesmos números de referência em diferentes figuras identificam os mesmos elementos ou similares. A seguinte descrição detalhada não limita a invenção. Ao invés disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.

[0033] Referência ao longo de todo relatório descritivo para “uma realização” significa que um aspecto particular, estrutura ou característica descrita em conexão com uma realização está incluída em pelo menos uma realização da matéria em questão divulgada. Dessa forma, o aparecimento da frase “em uma realização” em vários lugares ao longo de todo relatório descritivo não se refere necessariamente à mesma realização. Além disso, os aspectos particulares, estruturas ou características podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais realizações. A descrição detalhada acima não limita o escopo da invenção reivindicada. Ao invés disso, o escopo da invenção é definido pelas reivindicações anexas.

Claims

1. JUNTA DE EXPANSÃO para conectar de forma vedante um primeiro (1) e um segundo (2) componente da turbina que tem aberturas de paredes coaxiais com as passagens de fluido (3, 4) em deslocamento relativo, as aberturas definem uma reentrância com superfícies radiais opostas (102, 201) que atuam como sede para a junta no primeiro e no segundo componente da turbina (1, 2), a junta compreendendo: - um anel de vedação (5) adaptado para ser disposto na reentrância, como para engatar axialmente e radialmente com as superfícies das reentrâncias (102, 201) ao redor das passagens de fluido (3, 4), - um anel intermediário (6) adaptado para ser interposto entre o anel de vedação (5) e a superfície radial (201) do primeiro componente da turbina (1), em que o anel intermediário (6), tem aberturas (206) que engatam axialmente com protuberâncias (105) do anel de vedação (5) para prevenir rotação relativa, caracterizada pelo anel intermediário (6) ter elementos de fixação para serem fixados à parede da abertura do primeiro componente (1), a expansão da junta sendo assegurada por deslocamento axial e/ou radial do anel de vedação (5) sobre as sedes, sendo fornecida uma folga radial (401, 402) entre o anel de vedação (5) e as paredes laterais que definem a reentrância que recebe o anel de vedação (5) no primeiro componente da turbina (1).

2. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo anel intermediário (6) ter o formato de um cilindro com uma porção de extremidade flangeada (106) adaptada para ser posicionada sobre a superfície radial (201) do primeiro componente da turbina (1) com a parede lateral do cilindro alinhando axialmente com a correspondente passagem de fluido (3), as aberturas (206) sendo fornecidas nessa porção de extremidade flangeada (106).

3. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelas aberturas do anel intermediário (6) serem ranhuras circunferenciais (206) que têm paredes axiais que delimitantes (306) e as protuberâncias do anel de vedação (5) serem elementos limítrofes circunferenciais (105) que têm o correspondente acoplamento das superfícies laterais axiais (205).

4. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por um elemento da bucha (7) ser fornecido para se engatar com a parede lateral do anel intermediário (6).

5. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo elemento da bucha (7) ter uma superfície limítrofe radial (107) que atua sobre uma superfície anular (305) do anel de vedação (5) de modo a exercer uma função de retenção em uma porção do terminal (405) do anel de vedação (5) em direção ao anel intermediário (6).

6. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizada pela parede lateral definir a reentrância que recebe o anel de vedação (5) no primeiro componente da turbina (1) compreender a parede lateral do elemento de bucha (7), esse elemento da bucha (7) formando um conduto limítrofe na comunicação fluida com a passagem de fluxo (3), sendo fornecidos elementos de fixação para fixar o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6).

7. JUNTA DE EXPANSÃO, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelos elementos de fixação compreenderem pinos a serem inseridos nos furos piloto (207) fornecidos na periferia do elemento da bucha (7) para fixar o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6) e roscas (307) para apertar o elemento da bucha (7) ao anel intermediário (6).

8. MÉTODO PARA CONECTAR DE FORMA VEDANTE UM PRIMEIRO (1) E UM SEGUNDO (2) COMPONENTE DA TURBINA, tendo aberturas de paredes definindo reentrâncias coaxiais com passagens de fluido (3, 4) no deslocamento relativo, a reentrância do primeiro componente da turbina, tendo o formato de um orifício cilíndrico com uma superfície inferior circular, a reentrância do segundo componente da turbina tendo o formato de orifícios cilíndricos coaxiais com o diâmetro interno tendo um diâmetro menor que o diâmetro do orifício externo de modo a definir uma superfície circular inferior e uma superfície anular intermediária, o método compreendendo as operações de: - apertar o anel rosqueado intermediário, que tem uma porção de extremidade flangeada e aberturas circunferenciais, na parede lateral do orifício interno do segundo componente da turbina até a porção de extremidade flangeada do anel intermediário estar posicionada sobre a superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina; - colocar sobre a porção de extremidade flangeada um anel de vedação que tem elementos limítrofes circunferenciais na direção axial de modo a engatar com as aberturas circunferenciais do anel intermediário para prevenir rotação relativa do anel de vedação e do anel intermediário, o método caracterizado por ainda compreender, antes de colocar o anel de vedação na porção de extremidade flangeada do anel intermediário: - perfurar orifícios na superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina em correspondência com os furos pilotos fornecidos na porção de extremidade flangeada do anel intermediário; - inserir pinos nos furos pilotos e nos orifícios conforme perfurados para fixar a porção de extremidade flangeada à superfície anular intermediária do primeiro componente da turbina.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por ainda compreender apertar um elemento da bucha na parede lateral do anel intermediário voltado para o furo interno para formar um conduto limítrofe na comunicação de fluido com a passagem de fluxo do primeiro componente da turbina.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pela operação de aperto do elemento da bucha compreender empurrar uma superfície radialmente limítrofe do elemento de bucha em direção a uma superfície anular do anel de vedação para manter o anel de vedação em direção à porção de extremidade flangeada do anel intermediário.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, caracterizado por ainda compreender todos os pinos ou parte deles.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, caracterizado por ainda compreender, depois de apertar o elemento da bucha: - perfurar orifícios no componente (6) em correspondência com furos piloto (207) fornecidos no elemento da bucha; - inserir pinos nos furos piloto e nos orifícios perfurados para fixar o elemento da bucha à superfície anular intermediária do componente (6); - opcionalmente todos os pinos ou parte deles.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 12, caracterizado por ainda compreender acoplar o segundo componente da turbina ao primeiro componente da turbina deslocando axialmente o primeiro e/ou segundo componente da turbina para permitir que a parte exposta do anel de vedação seja inserida na reentrância do segundo componente da turbina.