ES2257907B1 - Cierre de obturacion de una turbomaquina hidraulica. - Google Patents

Abstract

El invento se refiere al cierre de obturación del rotor (3) de una unidad de turbina hidráulica repecto a la carcasa (2) de la turbina por medio de un cierre de obturación. El cierre de obturación se caracteriza porque un anillo de junta volante (19) está dispuesto en la región periférica del rotor (3), soportado sobre el rotor (3) y sobre la carcasa (2) de la turbina por medio de al menos un cojinete hidrostático. En una realización, el agua a presión para soportar el cierre de obturación contra el rotor es alimentada desde el cojinete para el anillo de junta contra la carcasa de la turbina, por medio del anillo de junta (19) libremente rotatorio.

Description

Cierre de obturación de una turbomáquina hidráulica.

El invento se refiere al cierre de obturación del rodete de turbomáquinas hidráulicas como turbinas, turbinas de bomba, bombas de acumulación u otras bombas respecto a la carcasa de la turbina.

Las turbinas Kaplan para bajas, las turbinas Francis para medias y las turbinas Pelton para grandes alturas de salto forman el repertorio estándar moderno en el sector de la construcción de turbinas. Las turbinas Francis cubren esencialmente el campo de alturas de salto entre 30 y 400 m.

Además las turbinas Francis alcanzan en el campo de las alturas de salto inferiores rendimientos de aproximadamente el 95% y en el campo de las alturas de salto superiores hasta sobre el 92%. En particular en el campo de las alturas de salto superiores las pérdidas de rendija y la fricción de la rueda son responsables de la reducción del rendimiento que hasta ahora no se puede eliminar. Para la explicación de estos dos fenómenos debe abordarse brevemente en lo que sigue la constitución y forma de funcionamiento de una turbina Francis:

En las turbinas Francis el agua que acciona a la turbina fluye de una espiral situada horizontal a través de una rueda directriz hacia el rodete. El rodete que gira rápidamente transforma la energía de presión y energía cinética del agua en el movimiento giratorio del árbol al que está fijado el rodete y acciona con ello un generador para la producción de corriente. El agua de propulsión abandona el rodete y también la turbina en dirección axial hacia abajo a través de un tubo de succión.

En la zona periférica del rodete, en los extremos exteriores de los canales de los álabes, éstos se mueven con gran velocidad al pasar por delante de la carcasa fija de la turbina, no pudiendo evitarse entre estas piezas una rendija a través de la cual el agua que llega de los álabes directrices fluye pasando por delante del rodete y penetra así en la zona en forma de rendija entre la superficie exterior del rodete y la superficie interior de la carcasa de la turbina. Debido a las grandes diferencias de velocidad entre la carcasa fija y el rodete giratorio se producen considerables pérdidas por fricción. Además debido a la gran presión que reina en la rendija superior se produce un fuerte empuje axial que carga en extremo el árbol y el cojinete axial. Por esta razón se prevé en la zona circunferencial exterior del rodete una junta de laberinto y se hace pasar el agua que penetra a través de esta junta de laberinto delante de la turbina. Hay que conformarse por lo tanto en el estado de la técnica con una fuga que ya en turbinas de tamaño medio puede alcanzar hasta
0,5 m^{3}/s.

Puesto que por la razón mencionada la junta de laberinto está dispuesta en la zona exterior del rodete, se produce en el caso de los pequeños anchos de rendija que se pretenden considerables pérdidas por fricción y altos pares de giro frenantes. Además estas juntas son caras de fabricar y justamente también a causa de las altas velocidades relativas entre las superficies mutuamente enfrentadas, debido a las cada vez más impurezas arrastradas y contenidas en el agua como granos de arena, trocitos de madera y similares, están sometidas a un desgaste constante que hace necesarios costosos trabajos de mantenimiento y
reparaciones.

Prever una junta efectiva en la zona exterior del rodete, de modo distinto que directamente en el árbol, que es guiado a través de la carcasa, no es posible. La razón para ello está por una parte en las ya repetidamente mencionadas altas velocidades relativas de los elementos de construcción mutuamente enfrentados, y por otra parte en los problemas dinámicos que resultan debido a los inevitables movimientos relativos (perpendiculares al movimiento de giro principal) con estas dimensiones y a las fuerzas que se presentan. Estos movimientos relativos tienen lugar esencialmente en dirección axial y se presentan con motivo de cambios del estado de funcionamiento, pero también por las tolerancias, juego de cojinetes, vibraciones inducidas aleatoriamente y similares.

En la producción de electricidad la cuestión de un rendimiento lo más alto posible es ahora de importancia decisiva, por una parte por consideraciones comerciales, y por otra parte por razones de la protección del medio ambiente. Del mencionado 5 a 7% de la energía actualmente no utilizada contenida en el agua de propulsión, una parte comparativamente grande, en particular en el caso de las turbinas Francis que trabajan en el campo de las grandes alturas de salto y con ello de las grandes presiones, va a la cuenta de las pérdidas de rendija y aquí en particular de nuevo a la cuenta de las pérdidas en la zona de rendija superior junto con la fricción de rueda que va acompañada de ella.

Se han emprendido ya diversos intentos para controlar esta problemática. Se llamaría ahora la atención sobre una propuesta publicada por la VA TECH VOEST MCE bajo el concepto "Polar Sealing", en la que en la zona exterior del rodete a partir de la carcasa se forma mediante refrigeración un reborde de hielo que durante el funcionamiento crece hasta el rodete y se ajusta allí rozando ligeramente y hace así la función de la junta. Éste es un ejemplo relevante de lo difícil que es el cierre de obturación en esta zona de una turbina Francis, cuando por una de las empresas líderes en el mundo en el campo de la construcción de tales turbinas ha sido propuesta una junta autorregenerante tan costosa.

Los problemas relacionados con esta junta consisten sobre todo en el peligro de la rotura de al menos una parte del anillo de hielo y la consiguiente falta de obturación, por lo que en la publicación se propone prever esta junta adicionalmente a la junta de laberinto tradicional. Con esta estrategia se puede conseguir probablemente una disminución de las fugas y de los problemas relacionados con ellas, pero esto se realiza al precio de una alta inversión y del empleo de un complejo elemento de construcción adicional, que necesita mantenimiento y cuidado adicionales.

Por el documento DE 25 54 217 A1 es conocida una solución con apoyo hidrostático. En ella un anillo de junta es retenido mediante brazos que se desarrollan en esencia tangenciales y es alojado haciendo cierre estanco en una ranura anular de la carcasa. Esta junta con respecto a la carcasa puede realizarse mediante anillos elastómeros o elementos similares que están colocados en la ranura y se apoyan con gran superficie en las superficies exteriores del anillo, lo que a su vez dificulta marcadamente su movilidad en dirección axial y afecta así desfavorablemente a la variación de la altura de rendija entre anillo y rodete. Esta variación, habida cuenta del inevitable movimiento axial del rodete con respecto a la carcasa para conseguir una junta hidrostática lo más eficiente posible, es sin embargo absolutamente necesaria. El agua requerida para la junta hidrostática es alimentada al anillo en un cierto número de ejemplos de realización a través de tubos o similares, lo que dificulta aún más su movilidad.

Por el documento CH 659 856 A5 es conocida otra solución: un anillo en esencia inmóvil con respecto a la carcasa se obtura en sentido radial y mediante junta hidrostática sin contacto con respecto al rodete (disco del cubo, disco de la tapa), estando apoyado el anillo en dirección axial con rozamiento lo más bajo posible asimismo mediante una especie de apoyo hidrostático para mejorar la capacidad de regulación rápida de la altura de rendija. El agua de cojinete para el cojinete axial es derivada del agua de cojinete para el cojinete radial. Sin embargo este anillo inevitablemente está sujeto también a (varios) conductos de abastecimiento cilíndricos para el agua de cojinete que se desarrollan en sentido radial y está hecho estanco respecto a estos conductos mediante anillos tóricos. Por lo tanto este apoyo del anillo no se puede denominar "flotante", puesto que la variación de la altura de rendija en el cojinete radial está claramente impedida por estos anillos tóricos. La estructura total de la junta es complicada y exige el cumplimiento de una serie completa de tolerancias estrechas en diversos grandes elementos de construcción bastante considerables en sus dimensiones.

El documento DE 196 11 677 A1 propone una junta denominada "sin contacto" con un anillo denominado "flotante". El anillo está alojado en la carcasa haciendo cierre estanco, asegurado contra el giro y apoyado elásticamente (y no sin contacto), y la superficie cilíndrica dirigida hacia el rotor presenta dos zonas: una que ejerce la función de una junta de laberinto, y una que ejerce una función de centrado. Se emplea así la fuga para centrar el anillo. Por lo tanto no existe ningún apoyo hidrostático en sentido estricto. En el caso de esta propuesta se plantean grandes problemas en el apoyo del anillo en la carcasa, puesto que debe conseguirse una buena movilidad del anillo y simultáneamente una sujeción estanca. Cómo debe resolverse esto satisfactoriamente, no se explica. Se plantean otros problemas debidos al hecho de que con las pequeñas fugas que se pretenden apenas puede conseguirse un centrado.

El invento tiene por objeto proporcionar una junta que en el caso de todas las turbomáquinas hidráulicas mencionadas al principio consiga de manera sencilla y fiable un efecto de obturación claramente mejorado en comparación con el estado de la técnica.

Según el invento para alcanzar estos objetivos está previsto disponer en la zona periférica del rodete un anillo de junta volante, que por flotación hidrostática está apoyado sin contacto tanto con respecto al rodete como con respecto a la carcasa. Bajo la denominación "volante" en esta descripción y en las reivindicaciones se entiende que contra los movimientos de apoyo del anillo no actúa ninguna fuerza impulsora que en cuanto a su magnitud sea superior a la magnitud de las fuerzas del apoyo hidrostático. En el estado de la técnica tales fuerzas son por ejemplo las fuerzas de fricción de los elementos elastómeros o las fuerzas de fricción de los anillos tóricos. Mediante el invento la cantidad de agua de rendija disminuye drásticamente, la fricción de la rueda se reduce en órdenes de magnitud y el empuje axial baja considerablemente. Puesto que la fuga según, el invento sólo se compone de agua de cojinete, se reduce también fuertemente el riesgo de penetración de cuerpos extraños en la zona de la junta y con ello el riesgo de daño de la
junta.

En una configuración del invento el anillo es apretado por la presión circundante del agua en dirección axial contra el rodete y en dirección radial contra la carcasa. Con ello el movimiento principal del anillo en dirección axial se produce consecutivo a la oscilación y a la deformación principal del rodete en su zona exterior. Esto es ventajoso debido al recorrido disponible que hay en esta dirección.

Los cojinetes hidrostáticos son de por sí conocidos en la construcción de máquinas y en particular en la construcción de máquinas hidroeléctricas, pero hasta ahora no era posible colocarlos entre elementos de construcción cuya distancia y situación puede variar en tal escala como es el caso por ejemplo en la circunferencia exterior de un rodete de una turbina Francis. Sólo mediante el apoyo hidrostático según el invento con respecto a ambos elementos de construcción es posible compensar estas tolerancias y movimientos, sin disminuir el efecto de obturación y sin tener que temer colisiones.

En una configuración del invento está previsto que en al menos una de las dos superficies de junta entre anillo de junta y rodete estén previstas bolsas de lubricación, mediante las cuales, adicionalmente al apoyo hidrostático, debido al movimiento relativo entre anillo de junta y rodete se produce un efecto de cojinete hidrodinámico, mediante el cual el campo de estabilidad de la junta según el invento se eleva aún más.

En una variante del invento especialmente preferida está previsto suministrar el agua a presión requerida para el apoyo hidrostático del anillo de junta con respecto al rodete desde un cojinete hidrostático entre la carcasa y el anillo de junta por medio de taladros en el anillo de junta, que en un extremo desembocan en el cojinete hidrostático del lado de la carcasa y en el otro extremo desembocan en el cojinete hidrostático del lado del rodete.

De esta manera se hace innecesario cualquier aseguramiento del anillo de junta contra el giro y no se necesita suministrar agua a presión al anillo de junta por medio de conducciones flexibles o similares. Además se reduce considerablemente la fricción del cojinete debido al anillo de junta girando con aproximadamente la mitad del número de revoluciones de la turbina.

En una configuración de esta realización entre la carcasa y el anillo está previsto un cojinete hidrostático con dos ranuras, en el cual una ranura está comunicada mediante taladros con al menos una ranura del cojinete hidrostático del anillo con respecto al rodete. Esto posibilita prever dos alimentaciones separadas para los dos cojinetes, por lo que se consigue desacoplar en presión el cojinete axial del cojinete radial y así mantener apartadas las oscilaciones en un cojinete del otro cojinete. Esto representa una aportación esencial a la estabilidad del apoyo, más exactamente al movimiento de apoyo del anillo.

El invento es explicado en detalle con ayuda del dibujo.

En él muestra

la Figura 1 una turbina Francis según el estado de la técnica,

la Figura 2 la zona entre parte superior de la carcasa y fondo de rodete de una forma de realización según el invento,

la Figura 3 una variante con anillo de junta giratorio,

la Figura 4 una configuración especialmente preferida de la variante según la Figura 3 y

la Figura 5 una variante de un anillo de junta según el invento similar al de la Figura 4.

La Figura 1 muestra esquemáticamente una turbina Francis 1 según el estado de la técnica, como la que puede obtenerse del libro: "Rabe, Hydraulische Maschinen und Anlagen":

En una carcasa 2 gira un rodete 3, realizándose la entrada de agua a través de una rueda directriz 4 o sus álabes individuales, que están dispuestos giratorios pero con eje estacionario 8 en la carcasa 2. El rodete 3 se compone de canales individuales, que se desarrollan curvados tanto en la dirección de la circunferencia como con respecto al eje 7 de la turbina, de manera que el agua abandona el rodete 3 esencialmente en dirección axial hacia abajo dentro del tubo de succión 5.

Entre la carcasa fija 2 y el rodete 3 existe naturalmente una rendija o espacio de rendija superior 9 y una rendija o espacio de rendija inferior 10. La rendija inferior 10 da lugar a la pérdida del agua de rendija, que penetra en la zona del tubo de succión sin que la energía contenida en ella haya podido rendir su trabajo, pero prescindiendo de esta pérdida no da otros problemas.

Distinto es ello con el agua de rendija que penetra en el espacio de rendija superior 9 entre el fondo de rodete 11 y la tapa de turbina 12. Puesto que la tapa de turbina está cerrada herméticamente con respecto al árbol giratorio 6 por medio de una junta de prensaestopas 13, en este espacio de rendija 9 se presenta casi la presión de aguas arriba (más exactamente: la presión de entrada en el rodete), lo que lleva a una considerable carga del árbol 6 y respectivamente de su cojinete axial. Además debido al disco de agua que se forma entre la tapa de turbina 12 y el fondo de rodete 11 se produce una fricción considerable, que a consecuencia de las altas velocidades periféricas del orden de magnitud de 35 m/s y del gran brazo de palanca con respecto al eje 7 del rodete, hoy en la mayoría de los casos de algunos metros, da lugar a momentos de giro grandes que frenan el giro del árbol.

Para disminuir este problema, en el estado de la técnica en la zona más exterior del fondo de rodete 11 está prevista una junta de laberinto 14, cuyas rendijas más estrechas están situadas en el campo del orden de magnitud de aproximadamente 1 mm. Para evitar la formación de presión, que puede ser de hasta 30 bar e incluso por encima, el agua de fuga es conducida mediante un conducto de descarga 15 a través de una válvula de estrangulación 16 hasta el tubo de succión 5. Además de esto también pueden estar previstos agujeros de descarga.

Según el invento se propone prever, especialmente pero no exclusivamente entre la carcasa 2 y la turbina 3, en la zona periférica del fondo de rodete 11, una junta mediante la cual el flujo de agua de rendija se reduzca drásticamente.

Una junta semejante según el invento está representada esquemáticamente en la Figura 2: en el rodete 3 está prevista una pista de rodadura 17, que en el ejemplo de realización expuesto está representada como cuerpo anular individual. Éste no tiene necesariamente que ser el caso, la pista de rodadura 17 puede ser construida durante la fabricación del rodete 3 de una sola pieza con él, por ejemplo ser torneada o rectificada a partir del conjunto completo. La propia superficie de junta 18 se desarrolla normal al eje de giro 7 de la turbina. Con la superficie de junta 18 coopera una superficie frontal 20 de un anillo de junta 19. Este anillo de junta en el ejemplo de realización expuesto está representado en su forma más simple con sección transversal rectangular. Como se explica en detalle más adelante, esta forma puede ser modificada diferentemente y ser adaptada a las particularidades de la aplicación respectiva.

El anillo de junta 19 está parado con respecto a la tapa de carcasa 12, lo que significa que no gira arrastrado con el fondo de rodete 11. El anillo de junta 19 sin embargo es desplazable axialmente dentro de ciertos límites con respecto a la carcasa, en particular con respecto a la tapa de turbina 12, como se explica en detalle a continuación. Desde la zona de la tapa de turbina 12 varios conductos flexibles de agua a presión 21, pero al menos uno, conducen hasta el anillo de junta 19. El anillo de junta 19 presenta dado el caso en su interior al menos un canal anular, que en su superficie frontal inferior 20 se abre formando una ranura anular o pasa a ser esta ranura o es formado por ella. El agua a presión alimentada a través de los conductos de agua a presión 21 configura en cooperación con la ranura y con la superficie de junta 18 enfrentada a ella un cojinete hidrostático para el anillo de junta 19. La rendija de cojinete presenta una altura de rendija en el campo de unos 10 a 350, preferentemente de unos 100 a 250 micrómetros, por lo tanto es estrecha en comparación con los anchos de rendija de la junta de laberinto convencional (Figura 1).

Una junta hidrostática semejante de por sí conocida, en el presente campo de aplicación, a causa de las extremas velocidades relativas, en el campo del orden de magnitud de 35 m/s como ya se ha mencionado más arriba y sobre todo teniendo en cuenta las altas presiones que se presentan (30 bar y por encima), y de los movimientos axiales del rodete 3 con respecto a la tapa de turbina 12, considerados demasiado grandes para la aplicación de anillos de junta apoyados hidrostáticamente, no podría ser empleada, puesto que precisamente es necesario guiar el anillo de junta 19 en dirección axial y esta guía debido a las condiciones de funcionamiento expuestas hasta ahora siempre ha fracasado.

Según el invento los problemas relacionados con ello son solucionados porque el anillo de junta 19 es guiado en dirección axial móvil en la tapa de turbina 12 por medio de un cojinete hidrostático cilíndrico. Este cojinete está constituido como sigue:

La tapa de turbina 12 presenta un resalte anular 23 que sobresale en dirección axial hacia el rodete 3 y cuya superficie exterior (dado el caso con un apoyo análogo al de la superficie de junta 18) sirve como superficie de cojinete 24. Para ello en esta superficie de cojinete 24 está prevista al menos una ranura 25 a la cual, como es usual en los cojinetes hidrostáticos, se alimenta agua a presión a través de al menos un conducto de agua a presión 22. De esta manera entre el anillo de junta 19 y la tapa de turbina 12 se crea un apoyo que permite al anillo de junta un movimiento en dirección axial casi libre de rozamiento. A ello hay que añadir aún que mediante este apoyo se evita de modo fiable y un "cabeceo" del anillo de junta 19 (propiamente dicho una torsión o un alabeo). Un cabeceo semejante del anillo de junta 19, con las cargas dinámicas que actúan sobre él, sin una guía o apoyo semejante es absolutamente posible y conduce a la destrucción de la acción combinada que forma la junta entre el anillo de junta 19 y la superficie de junta 18.

La solución del problema de junta según el invento es favorable no sólo desde el punto de vista dinámico sino también desde el energético y está asociada a inversiones relativamente simples y pequeñas. El agua a presión para las dos superficies de cojinete hidrostáticas puede tomarse de aguas arriba de la turbina de manera que (a causa de la aceleración centrífuga en la zona de la rendija de junta) no es necesario ningún o sólo un pequeño caudal de bombeo para superar la diferencia de presión remanente. Una parte del agua a presión fluye radialmente hacia fuera y penetra por lo tanto en el rodete, de manera que una parte correspondiente del caudal de bombeo invertido es ganado de nuevo en la turbina. También es importante que mediante el agua a presión que fluye radialmente hacia fuera se evita de forma fiable la penetración de cuerpos extraños. Los elementos de construcción a disponer en el rodete 3 y en la carcasa 2 de la turbina apenas necesitan sitio, en cualquier caso menos que la junta de laberinto que ha habido hasta ahora, y por lo tanto también es posible equipar ulteriormente de forma adecuada turbinas ya existentes.

Puesto que la temperatura de funcionamiento de las turbinas está dada por la temperatura del agua empleada, a pesar de la estrecha altura de rendija que se pretende en la rendija cilíndrica entre anillo de junta 19 y resalte anular 23 no hay tampoco ningún problema con la dilatación térmica.

La Figura 3 muestra en detalle la forma de realización particularmente preferida con anillo de junta giratorio 19' a la superficie de pared cilíndrica del resalte anular 23 es alimentada agua a presión a través del conducto de agua a presión 22' y forma el ya mencionado cojinete hidrostático entre el resalte anular 23 y el anillo de junta 19', que en este caso presenta una ranura 25'. Una parte del agua así alimentada a la ranura 25' penetra a través de taladros 26' en la zona de la ranura 27 en la superficie frontal axial 20 del anillo de junta 19' y forma allí, justamente como se ha descrito arriba, el cojinete hidrostático entre el rodete 3 y el anillo de junta 19'.

Resultan con ello obsoletos los conductos flexibles de agua a presión 21 y el aseguramiento contra el giro, sin que haya que conformarse con inconvenientes. Todo lo contrario, las pérdidas por fricción se reducen considerablemente gracias al anillo de junta 19' que gira con aproximadamente la mitad del número de revoluciones de la turbina. Debido a la sencilla construcción esta variante es también particularmente apropiada para el ulterior montaje en turbinas Francis ya existentes.

El número, las dimensiones y configuraciones de los taladros 26' pueden ser fácilmente determinados por el especialista en el campo de la hidrodinámica con conocimiento del invento y de las respectivas exigencias y ser adaptados a condiciones de funcionamiento diferentes. Son así también posibles taladros inclinados, que pasen rectos de ranura a ranura (más exactamente: de superficie de cojinete a superficie de cojinete, puesto que las ranuras también pueden estar dispuestas en las superficies de cojinete enfrentadas).

El invento puede configurarse de múltiples formas y adaptarse a condiciones ya existentes y dadas. Así no es necesario que el anillo de junta 19, 19' presente la forma rectangular representada. Es enteramente posible preverle en forma de L o con otra sección transversal y proporcionar así una adaptación lo mejor posible del anillo de junta a las realidades geométricas y dinámicas. La superficie del anillo de junta en la zona de los dos cojinetes puede estar provista de recubrimientos, revestimientos o chapados, para impedir daños en caso de un contacto con las superficies enfrentadas.

Naturalmente es posible proveer en particular la superficie de cojinete entre el anillo de junta 19 y el rodete 3 de varias ranuras dado el caso situadas unas junto a otras al menos por secciones, lo que puede ser especialmente ventajoso cuando el cojinete hidrostático así formado no debe estar configurado como un cojinete continuo (en dirección circunferencial), sino que está compuesto por varias secciones correspondientes por ejemplo a sectores. Entonces el desarrollo de la ranura (individual) (o de las ranuras individuales) no es necesariamente en forma de arco de círculo, sino que puede ser espiral. Puede ser ventajosa una subdivisión para, en el caso de la penetración de cuerpos extraños o de suciedad, asegurar que no se produzca la destrucción del apoyo hidrostática. En caso de entrada de suciedad, en partes individuales de la superficie de junta por entero limitadas geométricamente puede producirse un suministro insuficiente de agua a presión, pero esto puede ser compensado estando previstas en el anillo de junta 19 varias secciones de cojinete, independientes unas de otras, que dado el caso se solapen respectivamente unas con otras.

El agua a presión alimentada a los dos cojinetes fluye en esencia a lo largo de las flechas (de puntas rellenas) fuera de la propia zona de cojinete y contribuye así a que no penetren cuerpos extraños en la zona de las estrechas rendijas de cojinete (Figura 2).

El anillo de junta 19 no necesita ningún aprieto axial, éste se produce mediante la presión (indicada por las flechas con puntas de trazos) del agua de rendija que le rodea (presión ambiente p1), pero es posible y en determinadas circunstancias ventajoso prever un dispositivo (muelles o similar) para un aprieto ligero, para en caso de parada de la turbina tras una pausa de trabajo o inspección efectuada mantener el anillo de junta en una situación predeterminada. Asimismo puede estar prevista una elevación de emergencia para el anillo de junta, por ejemplo en caso de insuficiente presión del agua a presión.

La Figura 4 muestra una variante especialmente preferida del invento. La diferencia esencial con respecto a la Figura 3 consiste en que en la zona de junta entre el resalte anular 23'' y el anillo de junta 19'' está previsto un cojinete hidrostático con dos ranuras 25'', 28'' respectivamente. La ranura 25'' análogamente al cojinete hidrostático de la Figura 2 sirve para el apoyo sin contacto entre el anillo de junta 19'' y el resalte anular 23'', y la ranura 28'' proporciona mediante los taladros 26'' la conducción de agua a presión hasta el cojinete hidrostático con la ranura 27'' entre el anillo de junta 19'' y el rodete 3. Esto posibilita, incluso en caso de anillo de junta 19'' en rotación, proveer de agua a presión los dos cojinetes 27'', 28'' por separado uno de otro, siempre que estén previstas conducciones separadas 21'' y 22''.

En otra configuración (Figura 5) en el anillo de junta 19'' en lugar de la ranura 27'' dibujada ancha de la Figura 4 están previstas dos ranuras 27'' más estrechas que presentan una distancia una de otra, y que mediante taladros 26'' son alimentadas cada una de por sí desde la ranura 28''. Con ello se aumenta aún más la estabilidad del apoyo del anillo de junta 19'' en el rodete 3.

Esta separación del suministro de agua a presión de los dos cojinetes da lugar a que en caso de variaciones de la altura de una de las dos rendijas la presión en la otra rendija (y con ello su altura) sea influida en considerablemente menor medida que en el caso de la variante representada en la Figura 3 y en el caso ideal no sea influida en absoluto. Esto mejora no sólo la estabilidad del apoyo hidrostático en general sino que puede amortiguar movimientos periódicos en particular del anillo de junta o impedir su intensificación.

A propósito de esto debe abordarse brevemente el suministro de agua a presión. Es conveniente y bajo ciertas circunstancias necesario cuidar de que en caso de aumento del caudal en uno de los conductos de suministro (o en algunos contiguos) el flujo de paso en los conductos de suministro contiguos o en otros conductos de suministro permanezca lo más inalterado posible. Esto puede sin embargo ser determinado fácilmente por el especialista en el campo de la técnica de flujos con conocimiento del invento y de las condiciones marco, mediante el adecuado dimensionamiento o armonización de las secciones transversales y/o la previsión de estranguladores adecuados en los conductos de suministro individuales. Un factor para la obtención de este objetivo es que la sección transversal de los taladros previstos en el anillo de junta para el abastecimiento de la junta axial (en los ejemplos representados) sea tan grande que el paso continuo del agua a presión se efectúe en la mayor medida posible libre de pérdidas.

En una ilustración en cada caso adicional de la Figura 4 está representado el desarrollo de presiones sobre el ancho del anillo de junta entre el anillo de junta 19'' y la carcasa o entre el anillo de junta 19'' y el rodete 11: está indicada p1 para la presión que aparece aguas arriba del anillo de junta y p2 para la presión aguas abajo del anillo de junta en la rendija entre el resalte anular 23'' y el fondo de rodete 11, como también se ha explicado arriba con respecto a la Figura 1. Como puede observarse, mediante la situación y el dimensionado de las ranuras 25'', 28'' y 27'' puede influirse en gran medida sobre los perfiles de presión y mediante la elección de las presiones reinantes en los conductos de suministro 21'' y 22'' sobre la posición de estos perfiles con relación a la presión pi. Para un especialista en el campo de la técnica de flujos esto con conocimiento del invento no es difícil y posibilita la adaptación a las diferentes condiciones límite.

Finalmente es posible, en la zona de la o las superficies de cojinete entre el anillo de junta 19, 19', 19'' y los elementos de construcción en rotación con respecto a él prever bolsas de lubricación hidrodinámicas sobre al menos una de las dos superficies de cojinete mutuamente enfrentadas, para adicionalmente al apoyo hidrostático proporcionar un apoyo hidrodinámico.

La Figura 5 muestra una variante de un anillo de junta, en la cual el abastecimiento de la junta axial se efectúa a través de taladros 26'', que parten de la zona "inferior" (ranura 28'') de la junta radial. Además aquí el cojinete axial es diferente del representado en la Figura 4 en que presenta dos ranuras 27'', que son abastecidas cada una de por sí con agua a presión. Esta modificación no tiene influencia ninguna sobre el funcionamiento del cojinete, puesto que la presión hidrostática naturalmente se establece también de la misma manera entre las ranuras. El anillo de junta 19'' de la Figura 5 presenta una sección transversal esencialmente rectangular pero no cuadrada, el ancho de anillo RB que la altura de anillo RH, y en la zona de la rendija entre la carcasa y el rodete está configurado un talón asimétrico 29. De este modo es posible compensar los "momentos de alabeo" que actúan sobre el anillo de junta (equilibrio de momentos) y reducir las deformaciones del anillo de junta inducidas por ellos. En atención a las rendijas de cojinete de sólo unos 10 a 350 micrómetros de altas tales deformaciones deben impedirse en todo lo posible.

En el dibujo la junta entre el anillo de junta 19, 19', 19'' y la carcasa 2 está siempre representada como junta radial y la junta entre el anillo de junta y el rodete 11 como junta axial. Esto naturalmente también puede ser a la inversa y también puede tener ventajas para el desarrollo de los conductos de abastecimiento del lado de la carcasa que incluso en caso de una disposición semejante con anillo de junta en rotación el agua a presión deba ser transportada en el anillo de junta contra la aceleración centrífuga.

El anillo de junta 19, 19', 19'' y las superficies del fondo de rodete 11 o de la tapa de turbina 12 que cooperan con él pueden estar compuestos de los materiales usualmente empleados en juntas hidrostáticas, así la superficie 24 del resalte anular 23 (o éste mismo) o la superficie de la pista de rodadura 17 pueden estar compuestas de acero o de un metal antifricción, y el anillo de junta 19 puede estar compuesto de acero o asimismo de un metal antifricción, pero también de aluminio o de una aleación de aluminio. Naturalmente también es posible y en muchos casos recomendable fabricar al menos el anillo de junta 19, 19' de un plástico, en particular de un plástico reforzado con fibra o de un material cerámico.

También puede concebirse, en el caso de una forma de realización similar a la de la Figura 2, prever ambas ranuras del cojinete hidrostático en el anillo de junta 19 y suprimiendo el conducto de agua a presión 22, crear casi un equivalente a la variante del anillo de junta 19' que gira arrastrado. El aseguramiento del anillo de junta 19 contra el giro de arrastre con el fondo de rodete 11 puede efectuarse de diferentes maneras, bien mediante talones y contratalones o también mediante una suspensión adecuadamente flexible y simétrica del anillo de junta en la tapa de turbina 12, que preferentemente esté situada en un plano normal al eje 7 de la turbina, para no transmitir ninguna fuerza significativa en dirección axial y para no estorbar por rozamiento el movimiento axial del anillo de junta con respecto al resalte anular 23.

Se ha discutido el invento con ayuda de ejemplos que se refieren a la junta más importante en el campo de las turbinas Francis, pero para el especialista está claro que el invento puede ser aplicado ventajosamente también en las otras zonas de junta de las turbinas Francis y naturalmente también en todas las otras turbomáquinas hidráulicas, sean bombas o turbinas, en todas las rendijas entre su carcasa y su rodete.

En toda la descripción y en las reivindicaciones se ha hablado de "agua a presión" o "agua de cojinete", pero naturalmente en campos de aplicación particulares (por ejemplo bombas en la técnica alimentaria) también puede emplearse otro líquido en lugar de agua, sin abandonar el campo del invento. Finalmente pueden concebirse otros campos de aplicación, en particular aparte de las turbinas Francis, en los cuales los cojinetes hidrostáticos estén configurados sin ranuras.

Claims (7)

1. Cierre de obturación del rodete (3) de turbomáquinas hidráulicas (1) con respecto a la carcasa (2) de la turbina, caracterizado porque en la zona periférica del rodete (3) está dispuesto un anillo de junta volante (19, 19', 19''), que está apoyado tanto respecto al rodete (3) como respecto a la carcasa (2) de la turbina por medio de al menos un cojinete hidrostático en cada caso, porque cada uno de los cojinetes hidrostáticos se compone de superficies de cojinete dirigidas unas hacia otras, porque preferentemente en al menos una de las superficies de cojinete está practicada una ranura (25, 25'', 27, 27'', 28, 28''), y porque en al menos una de las superficies de cojinete desembocan conductos de agua a presión (21, 21'', 22, 22'') que están en comunicación con un abastecimiento de agua a presión.

2. Cierre de obturación según la reivindicación 1, caracterizado porque la junta entre la carcasa (2) de la turbina y el anillo de junta (19) se efectúa en la pared cilíndrica exterior radial (24) de un resalte anular (23) de la tapa de turbina (12) de la carcasa de la turbina.

3. Cierre de obturación según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el anillo de junta (19) está asegurado contra rotación respecto a la carcasa (2) de la turbina, y porque el al menos un conducto de agua a presión (21) está configurado flexible para su superficie de cojinete (20) dirigida hacia el rodete (3).

4. Cierre de obturación según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el aseguramiento contra rotación del anillo de junta (19) respecto a la carcasa (12) de la turbina se compone de una suspensión flexible y preferentemente simétrica con respecto al eje de giro (7) de la turbina, y que al menos en esencia está situada en un plano normal al eje (7) de la turbina, en el que también está situado el anillo de junta (19).

5. Cierre de obturación según la reivindicación 1, caracterizado porque en la superficie de cojinete entre la carcasa (2) y el anillo de junta (19', 19'') desemboca al menos un conducto de agua a presión (22', 22'') que está en comunicación con un abastecimiento de agua a presión, y porque el anillo de junta (19', 19'') presenta taladros (26, 26'') que conducen desde su superficie de cojinete con respecto a la carcasa (2) hasta la superficie de cojinete del anillo de junta con respecto al rodete (11).

6. Cierre de obturación según la reivindicación 1 o 5, caracterizado porque en la superficie de cojinete entre la carcasa (2) y el anillo de junta (19'') desembocan en la carcasa dos series de conductos de agua a presión (21'', 22'') que presentan una distancia axial unos de otros, y porque a una de estas series se enfrentan taladros (26'') en el anillo de junta (19''), los cuales desembocan en la superficie de cojinete del anillo de junta (19'') con respecto al rodete (3).

7. Cierre de obturación según la reivindicación 2 y o 6, caracterizado porque los conductos de agua a presión (21, 21'') para el cojinete entre anillo de junta y rodete (3) por una parte, y los conductos de agua a presión (22, 22'') para el cojinete entre anillo de junta y carcasa (2) por otra parte, son abastecidos con agua a presión o son cargados con presión independientemente unos de otros.