BR112014015143B1

BR112014015143B1 - Rotor resistente à conificação e método para ajustar um rotor em conexão com um conjunto de rotor

Info

Publication number: BR112014015143B1
Application number: BR112014015143-1A
Authority: BR
Inventors: Gerald Maurice Berard; Edward N. Ruggeri
Original assignee: Eaton Intelligent Power Limited
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2021-06-29
Also published as: WO2013106194A1; CA2860276A1; CN104024706B; EP2795166B1; EP2795166A1; CN104024706A; CA2860276C; US9945235B2; BR112014015143A2; US20140334933A1

Abstract

rotor resistente à conificação e método para ajustar um rotor em conexão com um conjunto de rotor. um rotor resistente à conificação (10) para um conjunto de vedação, e método para ajustar tal rotor são propostos. uma configuração do rotor (10) inclui uma base de rotor (12) e cabeça de rotor (16), e uma nervura se estendendo axialmente (20) interposta entre a base de rotor e cabeça de rotor, onde a nervura (20) inclui regiões de nervura axial e radial (22, 24, 26), definidas pelas ranhuras circunferenciais (30a, 30b) providas nas nervuras. a base de rotor (12) pode incluir uma superfície seladora, uma superfície de diâmetro interno, sendo que a superfície de diâmetro interno inclui um canal com uma inclinação.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção relaciona-se a rotores usados em conjuntos seladores, incluindo rotores adequados para motor de turbina a gás.

Histórico

[002] Rotores montados em um eixo rotativo são geralmente travados para resistir a cargas de alto torque e manter fechamento de componentes montados no eixo. Em conseqüência, da força de aperto, distorções podem ser transmitidas à face do rotor, uma vez que as superfícies de montagem podem não ser uniformes, rígidas, ou perfeitamente em esquadro com o eixo geométrico do eixo. Tais distorções, frequentemente, são chamadas “Conificação” (Coning). No entanto, para uma operação correta e apropriada, a face do rotor deve ser mantida plana e em esquadro com o eixo em poucas bandas de luz hélio. Em adição, a distorção induzida pelo aperto, a rotação do eixo e o aquecimento do rotor a partir do conjunto de anel selador ainda contribuem para uma distorção indesejável do rotor.

Sumário

[003] Um rotor resistente à conificação e conjunto de vedação incluindo um rotor resistente à conificação são descritos. Uma configuração de rotor inclui base de rotor, cabeçote de rotor, e uma nervura se estendendo axialmente e interposta entre a base de rotor e o cabeçote de rotor, onde a nervura inclui regiões de nervura axial e radial, definidas por pelo menos uma ranhura circunferencial. Em outra configuração, uma base de rotor inclui uma superfície seladora e uma superfície de diâmetro interno, incluindo um canal inclinado.

Breve Descrição dos Desenhos

[004] Configurações da presente invenção serão agora descritas por meio de exemplo, fazendo referência aos desenhos anexos, nos quais:

[005] A Figura 1 ilustra uma vista em seção transversal de um rotor resistente à conificação, geralmente mostrado em um ambiente de conjunto de vedação;

[006] A Figura 2 ilustra uma vista em seção transversal de um rotor resistente à conificação, de acordo com uma configuração geralmente mostrada em um ambiente de conjunto de vedação;

[007] A Figura 3 ilustra uma representação gráfica em seção transversal de um rotor resistente à conificação, de acordo com uma configuração da invenção;

[008] A Figura 4 ilustra uma vista em perspectiva de um rotor resistente à conificação, de acordo com uma configuração da invenção;

[009] A Figura 5 uma vista em perspectiva em seção transversal de um rotor resistente à conificação na seção V-V da Figura 4.

Descrição Detalhada

[0010] Agora, será feita em detalhes referência às configurações da presente invenção, cujos exemplos serão descritos nesta e ilustrados nos desenhos anexos. Conquanto a invenção venha a ser descrita em conexão com configurações, deve ser entendido que tais configurações não pretendem limitar a invenção. Ao contrário, a invenção pretende cobrir todas tais alterações, modificações, e equivalentes, desde que incluídos no espírito e escopo da invenção, como definido apenas nas reivindicações anexas.

[0011] Um rotor resistente à conificação 10, de acordo com uma configuração da invenção está geralmente ilustrado na Figura 1. O rotor pode ter uma estrutura geralmente em forma de anel e ter a base de rotor 12 adaptada ou configurada para conectar ou engatar um eixo de rotor 14, que é rotacionável em torno de um eixo geométrico tendo uma linha de centro (CL).

[0012] Em uma configuração, o cabeçote de rotor 16, que pode incluir uma face de rotor 18, é conectado à base de rotor 12 por uma nervura se estendendo axialmente 20. A nervura axial é provida entre o cabeçote de rotor 16 e base de rotor 12 e pode, por exemplo, sem limitação, ter uma forma de S ou pescoço de ganso quando vista em seção transversal. Como geralmente ilustrado na Figura 1, uma força de aperto (CF) axial ou axialmente direcionada pode ser aplicada à parte da frente e parte de trás da base de rotor 12. Deve ser notado que, para algumas aplicações, a força de aperto (CF) antecipada aplicada à base de rotor pode ser tão alta quanto 40.000 lbs (18.143.695 Kg), para certas aplicações pode ainda variar para um valor tão alto quanto 90.000 lbs (40.823.313 kg) ou mais. A força de aperto (CF) pode induzir uma medida de distorção da face de rotor 18, que pode fazer a face de rotor sair de esquadro com respeito ao eixo geométrico de rotação e/ou curvamento da superfície seladora da face de rotor 18. No entanto, em conexão com a presente invenção, tais distorções podem ser reduzidas, e, ainda substancialmente reduzidas, introduzindo a esbeltez e flexibilidade das regiões de nervura axial 22, 24 e/ou regiões de nervura radial 26 - que podem ser definidas por pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente 30. Neste contexto, o termo “ranhura” deve ser entendido como englobando uma ampla variedade de formações ou configurações, da qual o material foi removido ou não comparece. Na configuração ilustrada, duas ranhuras 30 são providas. A ranhura indicada por 30a é mostrada formada na nervura 20, a partir de uma direção oposta (traseira). No entanto, mais ranhuras (quer do mesmo tamanho, ou menor ou maior, ou mesma forma) em várias formas ou configurações podem ser introduzidas (na parte da frente ou parte de trás), para afetar e/ou reduzir a distorção adicionalmente. Ademais, como geralmente ilustrado na Figura 1, uma primeira ranhura circunferencial se estendendo axialmente (formada na nervura a partir da parte da frente ou parte de trás do rotor e.g. 30a) pode ser posicionada em uma distância/ posição radial diferente (e.g. a partir da base da porção de base 12) que outra ranhura circunferencial se estendendo axialmente (formada na nervura de uma porção dianteira ou traseira do rotor e.g. 30b) - ademais, uma abertura entre tais ranhuras pode formar uma região de nervura radial (e.g. região de nervura radial 26).

[0013] A inclusão da nervura se estendendo axialmente 20 pode, dentre outras coisas, permitir que a base de rotor 12 se mova (e.g. para frente e para trás) em um grau razoável, aplicando um impacto funcional reduzido ou mesmo zero sobre o cabeçote de rotor 16, e, por conseguinte, sobre o posicionamento ou “esquadro” pretendido da face de rotor 18. Para algumas aplicações, a quantidade de distorção indesejável com respeito à face de rotor 18 pode ser significativamente reduzida com a introdução de esbeltez e flexibilidade das regiões de nervura axial e radial, via ranhuras circunferenciais.

[0014] A otimização da configuração ou geometria da nervura 20, ranhura 30, e rotor 10 pode ser realizada, via, por exemplo, técnicas de análise de elemento finito, e pode “afinar” o desenho para condições de operação antecipadas ou desejadas. Adicionalmente, configurações da presente invenção permitem o balanceamento radial de forças de inércia, articulando em torno das regiões dianteira e traseira de nervura axial 22, 24, respectivamente, na nervura 20.Conquanto, para algumas configurações, tal como da Figura 1, uma região de nervura axial dianteira 22 (e.g. formada por uma ranhura, tal como ranhura 30b) e região de nervura axial traseira 24 (e.g. formada por uma ranhura, tal como ranhura 30a) pode ter tamanho e forma similares a outras configurações, o tamanho (e.g. volume aberto dentro do espaço de nervura), a forma, ou ambos tamanho e forma de tais regiões, podem ser configurados de modos inteiramente diferentes. Deve ser notado que estender a nervura 20 na direção axial (i.e. substancialmente na direção paralela ao eixo de rotor 14, tal como ao longo da região de nervura 26 na nervura 20) pode substancialmente reduzir ou impedir uma deflexão axial da face de rotor 18, particularmente em comparação com desenhos convencionais, que incluem componentes redutores de distorção (que pode ser mais uma natureza radial).

[0015] A Figura 2 geralmente ilustra uma vista em seção transversal de uma configuração de um rotor resistente à conificação 70, geralmente mostrada em um ambiente de conjunto de vedação, e.g. conjunto de anel selador 60. O rotor ilustrado 70 inclui uma base de rotor 74 e cabeçote de rotor 76 tendo uma face de rotor 78. Durante operação, um anel selador 80 pode se apoiar perto da face de rotor 78, que pode gerar calor por viscosidade ou fricção, durante a rotação relativa entre eles. A geração de calor pode causar ou estabelecer um gradiente de temperatura através do cabeçote de rotor 7, que pode produzir um certo grau de distorção térmica do rotor 70. A nervura se estendendo axialmente 20 pode ajudar a minimizar a distorção (incluindo condições dinâmicas em uso) pelo fato de criar, dentre outras razões, uma trajetória mais envolvida ou tortuosa para a base de rotor, que por sua vez, pode manter melhor o cabeçote de rotor 76, em uma condição mais isotérmica.

[0016] A Figura 3 ilustra geralmente uma representação gráfica em seção transversal de um conjunto de rotor resistente à conificação 100, de acordo com uma configuração da invenção. O conjunto 100 inclui uma base de rotor 112 e cabeçote de rotor 116 tendo uma face de rotor 110. Como geralmente ilustrado, uma força/ carga de aperto se estendendo axialmente (CF) pode ser aplicada à parte da frente e parte de trás da base de rotor 112. Com bases convencionais de rotor, a força de aperto (CF) pode produzir uma distorção da face de rotor 110, que pode fazer a face de rotor sair de esquadro com respeito ao eixo de rotação e/ou curvamento da superfície seladora associado com a face de rotor 110. A base 112 também pode incluir pelo menos uma porção angulada, inclinada, e/ou curvada (e.g. 1281, 1282, e 1283, geralmente representadas na Figura 3). A inclusão de uma ou mais porções 1281, 1282, 1283 na base 112 pode conferir várias características estruturais e/ou operacionais desejadas.

[0017] Em algumas configurações, um canal 120 pode ser provido (e.g. usinado, fundido, ou formado) em uma superfície de diâmetro interno da base de rotor 112 (ou associado à mesma), e incluir uma inclinação (por exemplo, com ângulo de inclinação TA, como ilustrado). Com a inclusão de tal canal e inclinação, é possível significativamente ou materialmente ajustar (ou “afinar”) a distorção da face do rotor a uma planicidade apropriada ou aceitável, para uma aplicação específica ou antecipada. Para algumas configurações, o rotor e canal podem ser configurados de modo que o canal possa essencialmente prover um efeito de mola, que, por sua vez, pode reduzir ou eliminar conificação, e prover uma selagem de rotor melhorada. Ademais, ajustando a profundidade do canal CD e/ou ângulo de inclinação TA, a planicidade da face de rotor associada 110 pode ser ajustada e/ou otimizada, e, dentre outras coisas, remover ou eliminar a distorção associada a uma carga de aperto estática. Ou seja, para certas configurações, um canal 120 (que pode incluir uma inclinação) pode ser configurado de modo que, em condições antecipadas, (i.e. durante montagem e/ou operação) a superfície seladora de uma face de rotor 110 é substancialmente insensível (de uma perspectiva operacional/ funcional) a uma carga de aperto associada ou ambiente.

[0018] Por meio de exemplo, apenas, sem limitação, para algumas configurações, um canal 120 pode ter uma profundidade máxima (valor máximo de CD) de cerca de 0,250 ± 0,050 polegada, e comprimento axial 146 de cerca de 0,300 ± 0,050 polegada. Ademais, para algumas configurações, por exemplo, sem limitação, o ângulo de inclinação TA associado ao canal 120 pode ser cerca de 20° ± 10°. Para um número de configurações, particularmente aquelas envolvendo cargas de aperto mais altas, áreas de canto (e.g., 125, 126) do canal 120 pode ser geralmente arredondadas (ao invés de relativamente agudas). O arredondamento de tais porções do canal pode, dentre outras coisas (tal como potencialmente melhorar a facilidade de fabricação) ser configurado de modo a adicionalmente ajudar a controlar tensões antecipadas associadas ao rotor e montagem.

[0019] Para algumas aplicações ou se requerido, o ângulo da inclinação TA pode ser alterado na direção oposta (e.g. o ponto mais alto da inclinação na parte de trás, ao invés de na parte da frente do rotor). Tal alteração pode, dentre outras coisas, ajustar a conificação de face de selo na direção oposta. A conificação inicial e a conificação corrigida podem ser avaliadas ou pré-determinadas, usando, por exemplo, técnicas de análise de elementos finitos.

[0020] Com a presente configuração, a superfície de diâmetro interno da porção de base, incluindo o canal 120, pode ser configurada ou customizada para enfraquecer a estrutura em certo grau. Tal enfraquecimento intencional ou desejado pode permitir uma força de aperto antecipada ou pretendida (CF) para criar um momento de curvamento no rotor (anel acoplável) perto do eixo de rotor 14. Dentre outras coisas, tal configuração customizada pode ajudar a evitar a transmissão da força de aperto (CF) para a superfície seladora 110 associada. Para algumas configurações, a adição de um canal inclinado pode prover um efeito de mola, que pode servir para absorver uma parcela significativa ou mesmo substancialmente integral de uma deflexão potencialmente detrimental, que poderia, ao invés, ser transferida de componentes adjacentes (luva/ espaçador geralmente em L 130) para a superfície seladora 110.

[0021] As Figuras 4 e 5 ilustram geralmente uma representação em uma vista em perspectiva e uma vista em seção transversal, respectivamente, de um rotor resistente à conificação 10. O rotor 10 pode incluir uma ou mais ranhuras circunferenciais se estendendo axialmente do tipo previamente indicado. Na configuração ilustrada, o rotor 10 é mostrado incluindo duas ranhuras que se estendem axialmente 30a e 30b. Como geralmente ilustrado, o rotor resistente à conificação 10 pode adicionalmente incluir um canal 120, que adicionalmente pode incluir uma inclinação. O canal 120 não é limitado ao canal descrito, e, por exemplo, sem limitação, pode ser configurado como previamente descrito, em conexão com a configuração geralmente mostrada na Figura 3.

[0022] Conquanto diversas configurações diferentes tenham sido apresentadas, deve ser notado que para uma dada aplicação, um ou mais dos componentes descritos podem ser empregados. Por exemplo, em algumas situações, dependendo das condições (e.g. condições de carga), os aspectos de diversos componentes descritos nesta com diferentes configurações podem ser empregados combinados e atender condições de carga estática e dinâmica. Em caráter exemplar, sem limitação, para algumas aplicações, um rotor pode ser configurado de modo a incluir uma nervura se estendendo radialmente interposta entre a base de rotor e o cabeçote de rotor, a nervura incluindo regiões de nervura axial 26 e regiões de nervura radial 28, definidas por pelo menos uma ranhura circunferencial 30, e incluindo um canal 120 em um diâmetro interno 50, o canal 120 tendo uma configuração inclinada.

[0023] A descrição acima de configurações específicas da presente invenção foi apresentada apenas com propósito de ilustração e descrição. A descrição não pretende de nenhum modo esgotar ou limitar a invenção às precisas formas descritas, sendo que várias modificações e variações são possíveis à luz dos ensinamentos constantes na especificação. As configurações foram escolhidas e descritas para explicar os princípios da invenção e sua aplicação prática, de modo a permitir àqueles habilitados na técnica a usar a invenção e suas várias configurações da maneira mais adequada para o particular uso contemplado. Pretende-se, ademais, que o escopo da invenção seja definido apenas pelas reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims

1. Rotor resistente à conificação, compreendendo:- uma base de rotor (12);- um cabeçote de rotor (16); e- uma nervura se estendendo axialmente (20) formada a partir de um material uniforme e interposta entre a base de rotor (12) e o cabeçote de rotor (16), a nervura se estendendo axialmente (20) incluindo pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30a), formada dentro da nervura (20), a partir de uma direção frontal e pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo- se axialmente para trás (30b), formada dentro da nervura (20) a partir de uma direção posterior do rotor (12); sendo que a ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30a) e a ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para trás (30b) são pelo menos parcialmente compensada na direção radial, dito rotor (10, 100), sendo caracterizadopelo fato de a citada nervura circunferencial (30a) e a citada ranhura circunferencial (30b) serem pelo menos parcialmente sobreposta uma à outra na direção radial; sendo que a nervura estendendo-se axialmente (20) compreende uma região de ranhura axial frontal (22), uma região de ranhura axial posterior (24), e pelo menos uma região de ranhura radial (26) cada uma das quais sendo formada, pelo menos em parte, por pelo menos um de pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30a) e a pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se para trás (30b).

2. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma região de nervura radial (26) estar disposta radialmente entre a pelo menos uma nervura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30a) e pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se radialmente para trás (30b), e a região de nervura axial frontal (22), e a região de ranhura axial posterior (24) estão disposta em extremidades opostas da pelo menos uma região de nervura radial (26).

3. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para trás (30b) ser formada na nervura (20), a partir de uma porção frontal do rotor (10).

4. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para frente (30a) ser formada na nervura (20), a partir de uma porção traseira do rotor (10).

5. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para frente (30a) ser formada na nervura (20) a partir de uma porção frontal do rotor (10), e a pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para trás (30b) ser formada dentro da nervura (20) a partir de uma porção traseira do rotor (10); e a pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se radialmente para frente (30a) está disposta radialmente mais próxima ao eixo do rotor (14) do que a pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para trás (30b).

6. Rotor, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para frente (30a) formada na ranhura (20) a partir de uma porção frontal do rotor (10) e a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para trás (30b) formada dentro da nervura (20) a partir da porção traseira do rotor (10) serem providas em diferentes posições radiais, uma em relação à outra.

7. Rotor, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para frente (30a) formada na nervura (20) a partir da porção frontal do rotor (10) e a pelo menos uma ranhura circunferencial se estendendo axialmente para trás (30b) formada na nervura (20) a partir da porção traseira do rotor (10) terem tamanhos diferentes ou formas diferentes, ou ambos, tamanhos e formas diferentes.

8. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de, em uma vista em seção transversal, a nervura (20) ter uma configuração em forma de S.

9. Rotor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a base de rotor (12) incluir um canal (120) provido no diâmetro interno da base de rotor (12).

10. Rotor, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o canal (120) incluir um inclinação.

11. Rotor, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de compreender:- a base de rotor (112) acoplada ao cabeçote de rotor (116);- uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30) e uma ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para fora (30);- a base de rotor (112) incluindo uma superfície de diâmetro interno;- sendo que a superfície de diâmetro interno inclui pelo menos um canal (120), configurado para ser disposto adjacente ao eixo do rotor (14), o pelo menos um canal (120) incluindo uma inclinação contínua estendendo-se a partir de uma extremidade axial do pelo menos um canal (120) para uma outra extremidade axial do pelo menos um canal (120).

12. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o pelo menos um canal (120) ter pelo menos uma área de canto arredondada (125, 126).

13. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de o ângulo da inclinação estar entre 10° e 30°.

14. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de o pelo menos um canal (120) ter uma profundidade máxima entre 0,51 cm (0,2 polegada) e 0,76 cm (0,3 polegada).

15. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o canal ter um comprimento axial entre 0,63 cm (0,25 polegada) e 0,89 cm (0,35 polegada).

16. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma ranhura interposta estendendo-se axialmente (20) entre a base do rotor (112) e o cabeçote de rotor (116), a nervura incluindo pelo menos uma região de nervura axial e pelo menos uma região de nervura radial.

17. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a pelo menos um canal (120) ter um comprimento radial sobre uma extremidade axial frontal de pelo menos um canal (120) que é maior que o comprimento radial sobre uma extremidade axial posterior do pelo menos um canal (120).

18. Rotor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para frente (30) e a ranhura circunferencial estendendo-se axialmente para trás (30) serem pelo menos parcial e radialmente compensadas.

19. Método para ajustar um rotor em conexão com um conjunto de rotor, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender:- o rotor (10, 100), compreendendo:- uma nervura se estendendo axialmente (20) formada a partir de um material uniforme e interposta entre o cabeçote de rotor (16, 116) e a base de rotor (12, 112), a nervura (20) incluindo duas nervuras estendendo-se axialmente (30, 30a, 30b) pelomenos parcialmente sobrepondo uma a outra em uma direção radial, a ranhura estendendo-se axialmente (20) incluindo a região de ranhura radial (26), uma região de ranhura axial posterior (22) conectando-se à região de ranhura radial (26) para o cabeçote do rotor (16, 116), e uma região de ranhura axial posterior (24) conectando-se à região de ranhura radial (26) à base de rotor (12, 112);- calibrar ou personalizar uma configuração, uma posição, ou ambas a configuração e a posição das pelo menos uma nervuras estendendo-se axialmente (30, 30a, 30b), para adaptar aestrutura do rotor (10, 110) para um ambiente operacional.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a calibração ou personalização incluir modificar a geometria da pelo menos uma ranhura circunferencial estendendo- se axialmente (30, 30a, 30b).

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a base de rotor (12, 112) ter um diâmetro interno, e o diâmetro interno incluir um canal (120) tendo uma inclinação.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de a calibração ou personalização incluir modificar a geometria do canal (120).

23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de a calibração ou personalização incluir modificar a inclinação.

24. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de a calibração ou personalização envolver uma análise de elemento finito.