ES2266898T3 - Junta entre dos partes moviles una con respecto a otra de una maquina hidraulica. - Google Patents
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Abstract
Un aparato para obturar un espacio de separación entre dos partes móviles entre sí de una máquina hidráulica, con al menos un elemento de obturación que está montado, con respecto a las dos partes móviles, por medio de al menos un cojinete hidrostático en cada caso, de tal modo que cada uno de los cojinetes hidrostáticos comprende superficies de cojinete enfrentadas una con otra, y al menos una de las superficies de cojinete tiene al menos un elemento de cojinete, tal como una acanaladura, una estría o similar, que puede ser alimentado con un medio de cojinete hidráulico a través de al menos una línea o conducción de suministro, caracterizado por que se ha dispuesto, a una cierta distancia del primer elemento de cojinete de un primer cojinete hidrostático, al menos un segundo elemento de cojinete adicional del primer cojinete hidrostático, el cual está unido o comunicado con el primer elemento de cojinete a través de una resistencia hidráulica, de modo que la conducción de suministro para este cojinete desemboca únicamente en la superficie de cojinete, en la zona del primer elemento de cojinete.
Description
Junta entre dos partes móviles una con respecto
a otra de una máquina hidráulica.
La presente invención se refiere a un aparato
para cerrar herméticamente u obturar un espacio de separación entre
dos partes móviles una con respecto a otra de una máquina
hidráulica, con al menos un elemento de obturación que se monta con
respecto a una de las partes móviles por medio de un cojinete
hidrostático en cada caso, de tal modo que cada uno de los
cojinetes hidrostáticos comprende superficies de cojinete
enfrentadas entre sí, y al menos una de las superficies de cojinete
tiene al menos un elemento de cojinete, tal como una acanaladura,
estría o similar, que puede ser alimentada con un medio de cojinete
hidráulico a través de al menos una línea o conducción de
suministro. Además, la invención describe un método para hacer
funcionar dicho obturador y un método para su puesta en
servicio.
Teniendo en cuenta las condiciones de
funcionamiento muy desfavorables que se dan en la zona del diámetro
exterior de una hélice o rodete de una máquina hidráulica, y ello,
sobre todo, en el caso de máquinas relativamente grandes con
diámetros de rodete que llegan hasta algunos metros, no ha sido
posible con anterioridad construir un obturador fiable entre el
rodete y su alojamiento, el cual, además de un cierto coste en
términos de eficacia como resultado de las pérdidas en los espacios
de separación, puede también conducir a considerables problemas
adicionales. Esto radica, sobre todo, en el hecho de que, en la zona
del diámetro externo del rodete, se producen velocidades
circunferenciales muy elevadas, el rodete y el alojamiento se ven
sometidos a vibraciones importantes, y, debido a las presiones
elevadas que actúan, el rodete experimenta, por lo demás,
desplazamientos axiales. Estos estados de funcionamiento han venido
evitando con anterioridad la construcción de un obturador
prácticamente o, de manera ideal, completamente estanco. Los
obturadores que se han venido utilizando anteriormente, tales como
los obturadores laberínticos, no son obturaciones o cierres
herméticos en el sentido verdadero, sino meramente dispositivos
destinados a reducir el flujo de agua a través del espacio de
separación. Otros obturadores, tales como los obturadores de anillo
de hielo conocidos, resultaban, a su vez, muy complicados y poco
fiables.
En el espacio lateral axial del rodete, es
decir, entre el disco de cubierta interno y el alojamiento, como
resultado del flujo de agua por el espacio de separación, se acumula
ocasionalmente una presión muy elevada, que corresponde
sustancialmente a la presión de la fuente hidráulica de cabecera y
que provoca que el rodete se desplace en la dirección axial, como
resultado de lo cual se producen cargas axiales excesivamente altas
en el montante y desplazamientos axiales relativamente elevados del
rodete. En los dos espacios laterales del rodete que se producen,
entre el alojamiento y el disco de cubierta externo e interno, se
produce un flujo de agua por el espacio de separación, como
resultado del cual una cierta proporción del medio no fluye a través
del rodete y, en consecuencia, tiene su coste en términos de
eficacia y se produce una pérdida de rendimiento. Por otra parte,
en los dos espacios laterales del rodete se produce un disco de agua
que gira muy rápidamente y, debido al rozamiento que se produce, se
opone a la rotación del árbol y, en consecuencia, desarrolla un
efecto de frenado que reduce adicionalmente, a su vez, la
eficacia.
Por estas razones, es deseable proporcionar un
obturador que sea en la práctica completamente estanco, entre el
rodete y su alojamiento.
Semejante obturador se conoce, por ejemplo, por
el documento WO 02/23038 A1, en el que se describen sustancialmente
dos tipos de obturadores, los cuales comprenden anillos de
obturación montados específicamente de forma flotante sobre dos
cojinetes hidrostáticos:
Un primer tipo, en el que el anillo de
obturación está montado con respecto al alojamiento y al rodete de
tal manera que no puede girar, y un cojinete hidrostático es
alimentado con el medio de cojinete a través de líneas o
conducciones flexibles que llevan desde el alojamiento de la turbina
hasta el anillo de obturación. Teniendo en cuenta los estados de
funcionamiento predominantes que se han descrito en lo anterior,
dichas conducciones flexibles representan naturalmente un punto de
cierta debilidad y, por tanto, han de construirse, de acuerdo con
ello, robustas y los tiempos de mantenimiento deben ser acortados de
manera apropiada, a fin de evitar, por medio de un mantenimiento
regular, que se presente una rotura debida al desgaste de las
conducciones flexibles, lo que puede conducir a un fallo del
obturador y a un daño considerable. Por otra parte, la instalación
de dicho anillo con un cierto número de conducciones flexibles es
relativamente complicada. Por estas razones, semejante diseño de
obturador se ha rechazado tanto por los fabricantes como por los
operarios.
El segundo tipo concierne a anillos de
obturación que se montan, con respecto al rodete y al alojamiento,
de una manera "flotante" y de rotación libre, de tal modo que
el medio de cojinete para los cojinetes hidrostáticos se suministra
a través de taladros existentes en el alojamiento de la turbina y a
través de taladros de unión o comunicación existentes en el propio
anillo de obturación. El documento WO 02/23038 muestra entonces, de
forma concreta, dos variantes de dicho anillo de obturación.
En la primera variante (de acuerdo con la Figura
3 del documento WO 02/23038), se ha proporcionado una serie de
conducciones de suministro, de tal modo que las aberturas de estas
conducciones de suministro dentro de las superficies de cojinete
son opuestas a las aberturas de los taladros de comunicación
existentes en el anillo de obturación. En la práctica, este anillo
exhibe un servicio insatisfactorio. Esto es debido a que, si el
anillo de obturación se apoya en el alojamiento radialmente y de una
manera fija, resulta entonces difícil hacer que el anillo de
obturación se eleve en la dirección radial, lo que significa que la
totalidad del medio de obturación que es forzado a entrar a través
de la conducción de suministro, se conduce a través del taladro de
comunicación hasta el segundo cojinete y da lugar a un levantamiento
importante en la dirección axial. El anillo de obturación se
frotará, por tanto, contra el alojamiento, lo que conduce a daños y,
en consecuencia, puede llevar a la destrucción. Por otra parte, en
el caso en el que el anillo está instalado con un cierto juego
radial, si bien éste será centrado durante el funcionamiento y será
levantado radial y axialmente, no adoptará, como consecuencia de la
ausencia de un equilibrio de fuerzas, una posición preferida, será
inestable y resultará, de la misma manera, menos susceptible de
regulación radial. Esto es porque, si se realiza un intento de
cambiar la posición radial modificando el flujo volumétrico, tan
solo cambiará la posición axial, ya que un flujo volumétrico
modificado será, de por sí, hecho pasar directamente al cojinete
axial a través del taladro de comunicación. Semejante anillo de
obturación resultará, por tanto, menos práctico en la práctica.
En la segunda variante (de acuerdo con las
Figuras 4 y 5 del documento WO 02/23038), se proporcionan ahora dos
filas de conducciones de suministro, que están dispuestas a una
cierta distancia una de otra y a través de las cuales,
independientemente una de otra, se suministra el medio de cojinete
al interior de los cojinetes hidrostáticos. La abertura de una tan
solo de estas dos conducciones de suministro es, en este caso,
opuesta a las aberturas del taladro de comunicación existente en el
anillo de obturación.
En el caso de esta variante, la ventaja de este
anillo, consistente en que tanto el cojinete radial como el axial
pueden ponerse en funcionamiento y regularse en gran medida de forma
independiente, y se puede alcanzar una posición de funcionamiento
estable, se contrapone a la desventaja de que, para el propósito de
estabilizar y la capacidad de controlar ambos cojinetes, se
necesitan dos filas de conducciones de suministro que han de ser
suministradas y hechas funcionar de forma independiente una de otra,
lo que es lo mismo que decir que se requieren al menos dos
conjuntos de bombas de suministro, en cierta medida de una potencia
considerable, incluyendo el control asociado o componentes
hidráulicos adicionales, tales como limitadores, filtros, etc., de
tal modo que lo que se gana en rendimiento por medio de una
obturación eficaz se pierde de nuevo, en cierta medida o incluso en
su totalidad, por el rendimiento que se requiere para las bombas o
por pérdidas de estrangulamiento. Además, la producción de dicho
obturador es considerablemente más complicada en términos de
fabricación, ya que se necesita, por supuesto, un número doble de
taladros y de conducciones.
La presente invención, por tanto, se ha
constituido con el propósito de eliminar las desventajas
anteriormente referidas y de proporcionar un obturador eficaz y
fiable del tipo mencionado al comienzo, que requiere pocos
recursos, puede ser implantado y hecho funcionar de forma sencilla y
tiene una larga vida de servicio.
Este propósito se consigue por medio de la
invención por cuanto que, a una cierta distancia de un primer
elemento de cojinete de un primer cojinete hidrostático, se dispone
al menos un segundo elemento de cojinete adicional del primer
cojinete hidrostático, el cual está unido o comunicado con el primer
elemento de cojinete a través de una resistencia hidráulica, de tal
modo de la línea o conducción de suministro para este cojinete
desemboca únicamente dentro de la superficie de cojinete de la zona
del primer elemento de cojinete.
Dicho elemento de obturación reduce el número
requerido de conducciones de suministro y reduce, por lo tanto, el
coste de fabricación así como el número de unidades y elementos de
suministro que se necesitan.
Si bien se proporciona tan solo una única
conducción de suministro, es posible ajustar dicho elemento de
obturación con unos espacios de separación axial y radial deseados
de una manera estable, con la ayuda de una resistencia hidráulica,
lo que da lugar a una posición de funcionamiento estable. Ambos
espacios de separación de cojinete pueden hacerse variar con el
flujo volumétrico y, en este caso, se encuentran en una posición
relativa sustancialmente fija uno con respecto al otro, lo que es
lo mismo que decir que el elemento de obturación puede ser
controlado completamente en ambas direcciones con tan solo una
conducción de suministro. Como el elemento de obturación es
levantado de forma sustancialmente simultánea y uniforme en las
direcciones axial y radial, se garantiza que el elemento de
obturación no es levantado según una única dirección, lo que
incrementa considerablemente la fiabilidad de funcionamiento.
En cuanto al método de hacer funcionar un
obturador de acuerdo con la invención, el propósito se consigue por
cuanto que la máquina hidráulica se pone en marcha únicamente una
vez que se han establecido los espacios de separación de cojinete
predefinidos. Como resultado de ello, se evitan de manera eficaz los
estados de rozamiento o estados de fricción mixtos o combinados y
su desgaste asociado, los daños e incluso la destrucción del
elemento de obturación, conforme se hace funcionar la máquina. La
vida de servicio de dicho elemento de obturación se mejora, en
consecuencia, considerablemente.
Sin embargo, durante la puesta en servicio del
obturador, es decir, durante una de las primeras operaciones de
arranque, puede resultar ventajoso llevar el elemento de obturación
a un estado de rozamiento mixto o combinado de una forma
controlada, de tal modo que pueda imprimirse o grabarse un cierto
patrón o dibujo de cojinete en las superficies de cojinete de los
cojinetes hidráulicos. Como consecuencia de ello, se compensan
ciertas tolerancias de fabricación del elemento de obturación o de
las superficies de cojinete, y puede mejorarse el funcionamiento y
la vida de servicio del obturador. Una vez que se ha grabado el
dibujo de cojinete, el elemento de obturación se levanta, por
puesto, hasta los espacios de separación de cojinete predefinidos y
se hace funcionar normalmente.
Como el elemento de obturación se fabrica
convencionalmente de un material más blando que las superficies de
cojinete asociadas del alojamiento o del rodete, o viceversa, es
posible lograr dicho dibujo de forma muy sencilla y de una manera
controlada.
El elemento de obturación puede ser producido y
hecho funcionar de manera muy sencilla si se unen o comunican entre
sí los dos cojinetes hidráulicos por medio de una comunicación
hidráulica. Basta, por tanto, con suministrar un medio de cojinete
tan solo a un único cojinete hidrostático, como resultado de lo cual
el segundo es también alimentado automáticamente.
Una distribución de presiones muy ventajosa, que
conduce a un levantamiento garantizado del elemento de obturación
en las dos direcciones, se establece en el hecho de escoger la
anchura del elemento de cojinete del primer cojinete hidrostático,
tomando como base la anchura total de este cojinete, de modo que sea
más pequeña que la anchura del elemento de cojinete del segundo
cojinete hidrostático, tomando como base la anchura total de este
cojinete. Para el funcionamiento fiable del elemento de obturación y
la consecución de una estabilidad suficiente, resulta
particularmente ventajoso el hecho de que la distancia entre los dos
elementos de cojinete del cojinete hidrostático en el que desemboca
la conducción de suministro, sea más pequeña que una distancia
máxima que, en este caso, resulta sustancialmente de las dimensiones
geométricas del elemento de obturación. Si se satisface esta
definición geométrica previa, se obtiene un elemento de obturación
extremadamente eficaz y operativamente fiable.
Un elemento de obturación particularmente
sencillo adopta la forma de un anillo de obturación. Dicho anillo
puede ser producido de una forma muy simple y beneficiosa.
La vida de servicio del elemento de obturación
se incrementa considerablemente si el elemento de obturación se
monta de una manera flotante sobre los cojinetes hidrostáticos,
puesto que, entonces, se suprime el rozamiento entre los cuerpos
sólidos de la superficie de obturación y del elemento de obturación
en todos los puntos operativos de la máquina hidráulica.
El obturador de acuerdo con la invención se
utiliza de forma ventajosa para obturar una hélice o rodete y un
alojamiento de la máquina hidráulica, en particular, una
turbo-máquina, y gracias a él los espacios laterales
del rodete pueden ser obturados por completo de manera eficaz y, si
se da una disposición apropiada, por ejemplo, en la zona periférica
del rodete, no son llenados con el medio de funcionamiento de la
máquina hidráulica, con la excepción del medio de cojinete. Se
evita, como resultado de ello, la producción de los efectos
negativos anteriormente mencionados.
El uso del obturador en una turbina, en
particular una turbina Francis o turbina de bomba, o en una bomba,
es ventajoso de forma muy particular.
El elemento de cojinete puede formarse de una
manera simple y económica como una acanaladura anular que puede ser
interrumpida en ciertas secciones a lo largo de la circunferencia y
que, por añadidura, puede ser producida muy fácilmente. Igualmente
simples en términos de diseño y fabricación son los taladros como
comunicación hidráulica en el elemento de obturación y como
conducción de suministro en el alojamiento de la máquina
hidráulica.
Las propiedades del elemento de obturación y, en
consecuencia, del propio obturador pueden mejorarse adicionalmente
disponiendo un tercer elemento de cojinete, o bien una pluralidad de
elementos de cojinete, en las superficies de cojinete del cojinete
hidrostático. El elemento de cojinete adicional produce una
distribución de presiones más extensa, que se puede manejar mejor y
con la que puede ajustarse con mayor facilidad el equilibro de pares
sobre el elemento de obturación.
El elemento de obturación se ha diseñado
ventajosamente de tal manera que el elemento de cojinete central
está diseñado de modo que sea más ancho que los otros elementos de
cojinete. Una predefinición geométrica adicionalmente beneficiosa
resulta de la selección específica de la distancia entre los bordes
exteriores de los dos elementos exteriores de entre la pluralidad
de elementos de cojinete, tomando como base la anchura de este
cojinete hidrostático, de tal forma que esta distancia sea más
pequeña que la anchura del elemento de cojinete del otro cojinete
hidrostático, tomando como base la anchura de este cojinete
hidrostático. Es igualmente beneficioso, dadas las dimensiones
geométricas predefinidas del elemento de obturación, tales como la
altura y la anchura del anillo de obturación, la disposición y la
anchura de los elementos de cojinete, en particular, de las
acanaladuras, estrías, etc., seleccionar la distancia entre el
primer y el segundo elementos de cojinete del primer cojinete
hidrostático de tal modo que sea más pequeña que una distancia
máxima predeterminada.
Los cojinetes hidrostáticos se alimentan, de
manera muy ventajosa, con un flujo volumétrico constante del medio
de cojinete. El elemento de obturación es, por tanto, capaz de
reaccionar automáticamente y de un modo controlado a los cambios en
las condiciones externas, tales como los cambios de temperatura del
medio y el cambio de longitud asociado del elemento de obturación,
las vibraciones del alojamiento o del rodete, las tolerancias de
fabricación, la inclinación del anillo de obturación, etc., puesto
que el flujo volumétrico, además de las dimensiones geométricas, es
sustancialmente responsable de la distribución de las presiones. El
elemento de obturación es, por tanto, auto-regulado,
es decir, compensa automáticamente las interferencias
exteriores.
Puede garantizarse un suministro sencillo a los
cojinetes hidrostáticos mediante al menos una bomba. Como posible
alternativa a una bomba, puede utilizarse también la fuente
hidráulica de cabecera, que naturalmente tiene una elevada presión
hidrostática; deberá entonces proporcionarse al menos un limitador,
que, por ejemplo, se diseña como una válvula de regulación de
flujo, aguas arriba de la abertura de la conducción de suministro,
con el fin de poder predefinir un flujo volumétrico concreto y
sustancialmente constante.
El elemento de obturación del obturador puede
hacerse funcionar de forma extremadamente ventajosa y con bajas
pérdidas si la pérdida de potencia causada por el anillo de
obturación se minimiza por medio de una geometría adecuada del
elemento de obturación. Semejante obturador presenta entonces una
pérdida de potencia mínima, como resultado de lo cual la eficacia
total de la turbina puede ser incrementada considerablemente, en
tanto en cuanto se evita la formación de flujos de agua por el
espacio de separación existente a través del obturador.
La acción de cojinete o apoyo de los cojinetes
hidrostáticos puede, en cierta medida, incrementarse
considerablemente si se proporciona adicionalmente, en al menos una
de las superficies de cojinete, al menos un elemento de cojinete
hidrodinámico. Existe adicionalmente, de esta forma, añadida a la
acción de apoyo hidrostático convencional, una acción de apoyo
hidrodinámico que, a las velocidades preponderantes, puede
constituir una proporción considerable de la acción de apoyo
total.
En el caso de fallo en el flujo volumétrico que
se suministra a los cojinetes hidráulicos, la máquina hidráulica
deberá ser, preferiblemente, desconectada con el fin de evitar
posibles daños al obturador o al elemento de obturación. La
fiabilidad de funcionamiento se incrementa si, en el caso de un
fallo, se garantiza un suministro de emergencia a los cojinetes
hidráulicos, por ejemplo, por medio de un depósito de aire, al menos
durante un cierto periodo de tiempo, preferiblemente hasta que la
máquina hidráulica haya alcanzado a detenerse. Por medio de dicho
suministro de emergencia, pueden evitarse posibles daños en el
anillo de obturación.
La eficacia puede aún ser mejorada
adicionalmente si se desconecta un cierto número de las fuentes de
suministro una vez que se ha concluido la puesta en régimen de la
máquina hidráulica. En este caso, ha de garantizarse, por supuesto,
que el suministro restante es suficiente para mantener el elemento
de obturación en el estado flotante en todos los estados de
funcionamiento, sin que se produzcan fases de rozamiento mixto.
Es posible garantizar espacios de separación de
cojinete sustancialmente constantes de una manera muy sencilla si
los cambios naturales de la geometría del elemento de obturación,
tales como el hinchado del elemento de obturación en el medio, se
compensan mediante la variación del flujo volumétrico
suministrado.
La presente invención se describirá en el texto
que sigue por medio de las Figuras 1-4,
proporcionadas a modo de ejemplo y no limitativas, que muestran
variantes de diseño concretas.
la Figura 1 muestra un corte transversal de una
turbina Francis típica,
la Figura 2 muestra una vista en detalle de la
zona de obturación entre la hélice o rodete y el alojamiento, con
un elemento de obturación de acuerdo con la invención,
la Figura 3 muestra una realización específica
adicional de un elemento de obturación y
la Figura 4 muestra un gráfico que representa
condiciones geométricas del elemento de obturación.
Con anterioridad a la presente descripción, se
definirán y explicarán algunos términos con mayor detalle en el
siguiente texto.
Se hace a menudo uso de expresiones como
elementos de cojinete, tales como acanaladuras, y superficie de
cojinete o apoyo, los cuales, en el sentido de esta solicitud,
describen, en cada caso, una estructura a modo de anillo o
cilíndrica. En este caso, un elemento de cojinete o superficie de
cojinete puede tener cualesquiera anchuras y profundidades o
alturas deseadas, y puede ser continuo en la dirección
circunferencial o, de otro modo, estar interrumpido en algunos
tramos o secciones, en uno o más puntos. Un elemento de cojinete
puede, por supuesto, tener cualquier forma en sección transversal
que se desee, y un ejemplo de ello incluye una estría triangular, y
no tiene necesariamente que estar diseñado como una acanaladura.
Un cojinete hidráulico siempre comprende
superficies de cojinete enfrentadas entre sí, al menos un elemento
de cojinete, tal como una acanaladura, estrías o similares, que
están dispuestas en al menos una de las superficies de cojinete. Si
se dispone, entonces, una pluralidad de elementos de cojinete a lo
largo de la circunferencia, debido a que un elemento de cojinete
está, por ejemplo, interrumpido en ciertas secciones según se ha
descrito en lo anterior, será también necesario, a fin de ser
coherentes, hablar de una pluralidad de cojinetes hidrostáticos que
están dispuestos de forma distribuida a lo largo de la
circunferencia. Sin embargo, por razones de simplicidad, incluso en
tales casos se hará siempre referencia en la solicitud a un único
cojinete hidrostático. Una comunicación hidráulica, o taladro de
unión o comunicación, en el sentido de esta solicitud, designa al
menos un espacio hueco con al menos dos extremos abiertos, de
manera que es posible que un medio fluya a través de este espacio
hueco según cualquier recorrido deseado, desde uno de los extremos
hasta el otro extremo.
Si se hace mención de una línea o conducción de
suministro, se ha de apreciar entonces que es posible disponer un
cierto número de tales conducciones idénticas o similares de
suministro, es decir, una serie de conducciones de suministro, en
la dirección circunferencial. Lo mismo también es cierto, por
supuesto, para un taladro de comunicación. Con el fin de no
permitir que la descripción se haga demasiado complicada, sin
embargo, se hace mención normalmente de una única conducción de
suministro o de un único taladro de comunicación, de modo que esto
comprende, naturalmente, una serie de conducciones de suministro o
de taladros de conducción, según sea apropiado.
Por razones de simplicidad, el obturador de
acuerdo con la invención se describirá únicamente utilizando una
turbina, concretamente una turbina Francis, aunque es posible,
naturalmente, que este obturador se emplee, asimismo, de una manera
equivalente en todas las demás máquinas hidráulicas que tienen
partes móviles unas con respecto a otras, tal como una hélice o
rodete que se mueve dentro del alojamiento de una máquina, tal como
en el caso de bombas o de turbinas de bomba.
La Figura 1 muestra, por tanto, una turbina 1,
aquí, una turbina Francis, que tiene un rodete 2 que se mueve
dentro del alojamiento 12 de la turbina. El rodete 2 tiene un cierto
número de palas o álabes 3 de turbina, que están delimitados por un
disco interno 11 y por un disco de cubierta externo 10. El rodete 2
está fijo por uno de sus extremos al vástago 8, de tal forma que se
asegura contra la rotación con respecto al árbol 8 por medio de una
cubierta de cubo 9 y, posiblemente, por medio de otros medios de
sujeción adicionales, tales como pernos o tornillos. El árbol 8
está montado rotativamente por medio de unos cojinetes de árbol,
que no se ilustran, de una manera conocida, y acciona, por ejemplo,
un generador, igualmente no ilustrado, para la producción de
energía eléctrica, el cual se dispone preferiblemente en el otro
extremo del árbol 8.
El flujo entrante del medio líquido, normalmente
agua, procedente de una fuente hidráulica de cabecera, tal como un
depósito de agua situado más arriba, se transporta, en la mayoría de
los casos, a través de un alojamiento espiral que no se ha
ilustrado aquí pero que es suficientemente bien conocido. Entre el
alojamiento espiral y el rodete 2 existe un aparato de guía 4, que
comprende un cierto número de paletas de guía 5, que, en este
ejemplo, pueden hacerse girar por medio de un aparato de ajuste 6.
Las paletas de guía ajustables 5 se utilizan para regular la salida
de la turbina 1, alterando tanto el flujo volumétrico a través de
las turbinas 1, como también el paso de entrada del rodete. Además,
pueden disponerse también paletas de soporte de una manera
conocida, entre el alojamiento espiral y las paletas de guía 5.
La descarga del agua se lleva a cabo, como se
muestra en la Figura 1, a través de una tubería de succión 13,
situada inmediatamente a continuación de la turbina 1 y que
desemboca en un flujo de descarga, no ilustrado. El resultado de
esto es una corriente de agua principal F, identificada por la
flecha, que, procedente del alojamiento espiral, pasa a través del
aparato de guía 4 y del rodete 2 hasta la tubería de succión 13.
Además de la corriente de agua principal F, el
caso de obturadores convencionales 14, se forma también una
corriente de agua de espacio de separación a través de los espacios
laterales del rodete existentes entre el alojamiento 12 de la
turbina y los discos externo 10 y de cubierta interno 11. El agua de
espacio de separación del espacio lateral radial del rodete es
descargada, por ejemplo, a través de un limitador por medio de una
línea o conducción 7 y conducido al interior de la tubería de
succión 13. Además, según se indica en la Figura 1, se proporcionan
a menudo unos taladros de alivio en el disco de cubierta interno, a
través de los cuales se comunica el espacio lateral radial del
rodete con la corriente de agua principal F. Por medio del obturador
de acuerdo con la invención, según se describe adicionalmente más
adelante, se suprimen ahora estas corrientes de agua de espacio de
separación, de tal manera que puede emplearse por completo todo el
agua que fluye en flujos a través del rodete 2, y su energía de
flujo, sin pérdidas en los espacios de separación. Por otra parte,
el rozamiento en el espacio lateral del rodete se reduce o incluso
se minimiza, puesto que, con dicho obturador, no se forma ya ningún
disco rotativo de agua en el espacio lateral del rodete; en lugar de
ello, este espacio, con la excepción del agua de cojinete, se llena
de aire. Por otra parte, el empuje axial que actúa sobre el árbol 8
y sobre el montante del árbol se reduce de manera acusada como
resultado de ello.
A continuación, la Figura 2 muestra una vista
detallada de un obturador inventivo, proporcionado a modo de
ejemplo y perteneciente a un rodete 2 de una turbina 1, situado
entre el alojamiento 12 de la turbina y el disco de cubierta
interno 11, por medio de un elemento de obturación 20 diseñado como
un disco de obturación. En este caso, el alojamiento 12 de la
turbina tiene un hombro sobre el cual se dispone una superficie de
apoyo o cojinete radial 24. De la misma manera, se ha dispuesto una
superficie de cojinete axial 23 sobre el disco de cubierta interno
11. Estas superficies de cojinete 23, 24 pueden ser componentes
independientes que se aplican de forma subsiguiente en el lugar
necesario, por ejemplo, por medio de soldadura, atornillado, etc.,
o bien pueden, por supuesto, estar también mecanizadas en el
componente correspondiente, por ejemplo, una sección de superficie
grabada en el disco de cubierta interno 11.
Las orientaciones "axial" y "radial"
se refieren, en este caso, a las direcciones de acción de los
cojinetes hidrostáticos y se han introducido fundamentalmente con
vistas a hacer más fácil la distinción entre los dos cojinetes
hidrostáticos 21, 22.
A las superficies de cojinete radial 24 y axial
23 situadas sobre el alojamiento 12 de la turbina y sobre el disco
de cubierta interno 11 se les ha asignado, en cada caso, unas
superficies de cojinete radial 23 y axial 23 situadas sobre el
alojamiento 20, las cuales, en cada caso, forman parte de un
cojinete hidrostático 21, 22 en las direcciones axial y radial.
En el diseño de acuerdo con la Figura 2, se
aporta un medio de cojinete, tal como agua, al interior del cojinete
hidrostático radial 22 a través del alojamiento 12 de la turbina,
por medio de una conducción de suministro 28. Aquí, la conducción
de suministro 28 está formada por taladros y está comunicada, a
través de conducciones adicionales, directa o indirectamente con
una fuente de suministro, que no se ilustra, tal como una bomba y/o
la fuente hidráulica de cabecera, posiblemente a través de
dispositivos auxiliares tales como filtros, ciclones, etc. Por
supuesto, pueden existir una pluralidad de conducciones de
suministro 28 distribuidas a lo largo de la circunferencia, y cabe
la posibilidad, con vistas a una disposición beneficiosa para un
suministro adecuado, de disponer, por ejemplo, tres conducciones de
suministro 28 que estén, en cada caso, descentradas o desplazadas
en un ángulo de 120º. Por supuesto, es también concebible cualquier
otra disposición.
El cojinete radial 22 tiene ahora dos elementos
de cojinete con forma de acanaladuras 25, 26, de tal manera que una
de las acanaladuras se ha dispuesto en el anillo de obturación 20,
en la zona de la abertura o desembocadura de la conducción de
suministro 28, y la segunda acanaladura 26 se ha dispuesto, de la
misma manera, en el anillo de obturación 20, a una cierta distancia
de la primera acanaladura 25. Esta segunda acanaladura 26 se une o
comunica entonces, a través de uno o más taladros de comunicación
29, con una acanaladura 27 dispuesta en el anillo de obturación 20
y que pertenece al cojinete axial 21. Las dos acanaladuras 25, 26
del cojinete radial 22 se encuentran ahora dispuestas de tal manera
que la conducción de suministro 28 no desemboca, ni por completo ni
parcialmente, en la segunda acanaladura 26, en todas las posiciones
de funcionamiento del anillo de obturación 20.
Ha de apreciarse asimismo, en particular, que
los elementos de cojinete, aquí las acanaladuras 25, 26 y 27,
pueden también disponerse de la misma manera en la superficie de
cojinete axial o radial, 23, 24, del alojamiento 12 de la turbina o
del rodete 2, así como también, aquí en el disco de cubierta interno
11. Será igualmente posible proporcionar elementos de cojinete
tanto en el elemento de obturación como en el alojamiento 12 de la
turbina o en cualquier lugar deseado del rodete 2.
Así pues, ambos cojinetes hidrostáticos 21, 22
se alimentan con un medio de cojinete desde una única conducción de
suministro 28 ó desde una serie de conducciones de suministro 28. El
medio de cojinete es, en este caso, aportado al interior del
cojinete radial 22 y fluye a través de los taladros de comunicación
al interior del cojinete axial 21. Con el fin de garantizar una
alimentación adecuada del cojinete axial 21, se han dispuesto,
ventajosamente, una pluralidad de taladros de comunicación 29 a lo
largo de la circunferencia del anillo de obturación 20, por
ejemplo, un taladro cada entre 3 y 8 centímetros, dependiendo de la
circunferencia o perímetro. La acanaladura 27 del taladro axial 21
puede igualmente bien haber sido diseñada también de tal modo que,
en la zona de los diámetros exterior e interior del anillo de
obturación 20, se ha dispuesto, en cada caso, una acanaladura más
estrecha, que está comunicada, en cada caso, con el cojinete radial
22 y es alimentada a través de un taladro de comunicación 29.
Por supuesto, la conducción de suministro 28
puede también desembocar en el cojinete axial 21; la disposición de
las acanaladuras 25, 26 y 27 en las diagonales del anillo de
obturación se reproduciría entonces en imagen especular de forma
apropiada.
Con el fin de poder describir la función del
anillo de obturación 20, las distribuciones de presiones que
resultan en los cojinetes axial y radial 21, 22 se ilustran también
adicionalmente en la Figura 2. El medio de cojinete, tal y como se
ha descrito en lo anterior, se suministra al interior del cojinete
axial 21 a través de la conducción de suministro 28, con un flujo
volumétrico constante Q. El flujo volumétrico Q del medio de
cojinete se divide, en el cojinete radial 22, en dos corrientes. Una
de las corrientes fluye hacia abajo y desemboca finalmente en el
espacio lateral axial del rodete con la presión p_{0}. La mayor
parte del flujo volumétrico Q fluye hacia arriba hasta la segunda
acanaladura 26 y fluye, a través del taladro de comunicación 29, al
interior del cojinete radial 21, para desembocar parcialmente dentro
del espacio de cojinete 31 con la presión p_{1} que está presente
en la entrada al rodete.
El flujo volumétrico Q hace que la distribución
de presiones que se ilustra presente una presión máxima p_{3} en
la acanaladura 25 en la que desemboca la conducción de suministro
28, la cual levanta el anillo de obturación 20 en la dirección
radial. En relación con esto, un levantamiento radial significa, por
supuesto, que el anillo de obturación 20 se ensancha, de tal modo
que a este ensanchamiento se le opone tanto la presión de la fuente
hidráulica de cabecera p_{1} como también, de acuerdo con la
teoría de la elasticidad, las fuerzas de restitución elásticas. La
presión máxima p_{3} debe ser, en consecuencia, lo suficientemente
alta como para ser capaz de efectuar dicho ensanchamiento del
anillo de obturación 20 hasta el espacio de separación de cojinete
deseado, por ejemplo, típicamente entre 50 y 100 \mum. En la
segunda acanaladura 26, por razón de la geometría, se acumula una
presión inferior p_{2}, que, al mismo tiempo, actúa también en la
acanaladura 27 del cojinete axial 21 a través del taladro de
comunicación 28. La presión p_{2} ha de ser lo suficientemente
elevada como para hacer que el anillo de obturación 20 se eleve en
la dirección axial, lo que puede conseguirse al disponer las dos
acanaladuras 25, 26 del cojinete radial 22 de forma muy acusadamente
asimétrica y muy cerca una de otra, tal y como se ilustra en la
Figura 2.
Si las acanaladuras 25, 26 estuviesen demasiado
alejadas una de otra, entonces la caída de presión entre las
acanaladuras 25, 26 sería demasiado elevada y la presión de
elevación requerida p_{2} no sería alcanzada. Esto significa que
la presión p_{2}, para el ejemplo de acuerdo con la Figura 2,
queda definida por la geometría del cojinete axial del anillo de
obturación 20, es decir, sustancialmente por la anchura y la
posición de las acanaladuras del cojinete correspondiente 22, por
las dimensiones externas del anillo de obturación 20 y por los
posibles rebajes 30. Así pues, si el flujo volumétrico Q hubiera de
incrementarse adicionalmente, la presión p_{2} seguiría siendo,
sin embargo, la misma y el anillo de obturación 20 simplemente se
elevaría adicionalmente en la dirección axial.
Al aplicar leyes hidráulicas fundamentales a una
geometría específica del anillo de obturación 20 y a cualquier
disposición que se desee de las acanaladuras 25, 26, 27, es posible
definir una distancia máxima f_{max} entre las dos acanaladuras
25, 26, la cual depende únicamente de la geometría y debe ser
mantenida con el fin de hacer que el anillo de obturación 20 sea
levantado en ambas direcciones. La determinación de la distancia
máxima f_{max} representa una tarea común para una persona
apropiada con conocimientos en la técnica. La Figura 4 (que hace
referencia aquí a la geometría de la Figura 2) ilustra una curva
determinada para tal distancia máxima f_{max}. En este ejemplo,
las dimensiones externas del anillo de obturación 20 y las
dimensiones geométricas del cojinete hidrostático axial 21, así
como ciertas dimensiones geométricas del cojinete hidrostático
radial 22, se mantienen constantes, y únicamente se modifica la
distancia d del borde superior del anillo de obturación 20 desde la
segunda acanaladura 26, y el resultado se representa en forma de
gráfico en la Figura 4. Las variables utilizadas en el gráfico se
dieron referidas, en este caso, a la anchura B_{r} del cojinete
radial 21 y, en consecuencia, se hicieron adimensionales. Aquí, el
punto dibujado en la Figura 4 muestra la distancia f de acuerdo con
la geometría de la Figura 2. Puede observarse claramente que el
anillo de obturación se encuentra en el intervalo estable.
En el caso de que se modifiquen otros parámetros
geométricos, entonces, por supuesto, bajo ciertas circunstancias,
se obtienen otras formas de la curva o área, por ejemplo, dada la
variación de dos parámetros. Pueden especificarse también, por
supuesto, relaciones idénticas para otras configuraciones de un
anillo de obturación 20, según se ilustra, por ejemplo, en la
Figura 3.
El anillo de obturación 20 flota entonces, por
lo tanto, de una manera estable sobre dos películas de deslizamiento
prácticamente sin rozamiento, y es, por tanto, soportado "a
flotación". Durante el funcionamiento, debido al montaje libre,
el anillo de obturación 20 rotará conjuntamente a aproximadamente la
mitad de la velocidad circunferencial del rodete 2, ya que no se
sujeta asegurado contra la rotación. Como resultado de ello, se
obtiene una ganancia en la estabilidad dinámica, ya que, de esta
forma, la velocidad circunferencial limitativa que establece el
tope o límite de trepidación se ve incrementada. Además, pueden
también hacerse más bajas las pérdidas por rozamiento.
Como resultado de la elevada estabilidad de un
cojinete hidrostático, el anillo de obturación 20 es capaz de
compensar las vibraciones del rodete 2 y/o del alojamiento 12 de la
turbina, así como también el desplazamiento axial del rodete 2 sin
pérdida del efecto de obturación y sin entrar en contacto con el
rodete 2 y/o el alojamiento 12 de la turbina. El anillo de
obturación 20 no sufre prácticamente ningún desgaste como resultado
de ello, lo que significa que la vida de servicio de dicho anillo
de obturación 20 es muy larga. El hecho de que el anillo de
obturación 20 pueda ser construido como un anillo muy delgado y de
peso ligero que no tiene apenas fuerzas de inercia, refuerza esta
acción.
El anillo de obturación 20 puede ser construido
de modo que sea muy pequeño en relación con las dimensiones de la
turbina 1; las longitudes de borde de unos pocos centímetros, por
ejemplo, 5 cm u 8 cm, son completamente adecuadas, dados los
diámetros externos de unos pocos metros, y éste puede fabricarse de
cualquier material deseado, tal como acero, bronce de cojinete,
plástico (por ejemplo,
PE - poliestireno). Por otra parte, las superficies de cojinete 23, 24 pueden también ser recubiertas con una capa adecuada, tal como Teflón, bronce de cojinete, etc., al objeto de mejorar aún más las propiedades del obturador. Típicamente, el anillo de obturación 20 se produce de un material más blando que el alojamiento 12 ó que el rodete 2 de la máquina hidráulica. Como resultado de ello, en primer lugar, es normalmente más ligero, y, en segundo lugar, en el caso extremo, es el anillo de obturación 20 y no el rodete 2 ó el alojamiento 12 el que resulta dañado o incluso
destrozado.
PE - poliestireno). Por otra parte, las superficies de cojinete 23, 24 pueden también ser recubiertas con una capa adecuada, tal como Teflón, bronce de cojinete, etc., al objeto de mejorar aún más las propiedades del obturador. Típicamente, el anillo de obturación 20 se produce de un material más blando que el alojamiento 12 ó que el rodete 2 de la máquina hidráulica. Como resultado de ello, en primer lugar, es normalmente más ligero, y, en segundo lugar, en el caso extremo, es el anillo de obturación 20 y no el rodete 2 ó el alojamiento 12 el que resulta dañado o incluso
destrozado.
Puesto que el anillo de obturación 20 puede ser
construido de modo que sea muy pequeño en sección transversal, pero
pueden ejercerse presiones muy elevadas, existe el riesgo de que el
anillo de obturación 20 se deforme de manera inclinada. Con el fin
de poder compensar los momentos de balanceo que aparecen, el anillo
de obturación 20 ha de ser diseñado de modo que esté libre de
momentos, es decir, el anillo de obturación 20 no deberá exhibir
momentos resultantes durante su funcionamiento. Como puede
considerarse con facilidad, esto puede conseguirse diseñando el
anillo de obturación 20 de tal modo que las fuerzas resultantes de
las distribuciones de presiones respectivas sobre los lados del
anillo de obturación 20, es decir, las fuerzas resultantes de la
presión de la fuente hidráulica de cabecera p_{1}, y de las
distribuciones de presiones que aparecen en los cojinetes
hidrostáticos 21, 22 se extiendan sobre una única línea de acción.
Con el fin de conseguir esto, además de la geometría global del
anillo de obturación 20, tal como las dimensiones de las
acanaladuras 25, 26, 27, las anchuras de los espacios de separación
del cojinete, las dimensiones externas, etc., se hace uso también,
entre otros, del rebaje 30.
El anillo de obturación 20 puede, por supuesto,
tener cualquier sección transversal que se desee, tal como una
sección transversal con forma de L, prefiriéndose, desde el punto de
vista de la fabricación, una forma cuadrada o rectangular.
La Figura 3 muestra una realización adicional
proporcionada a modo de ejemplo de un anillo de obturación 20 de la
invención. Este anillo de obturación 20 tiene ahora tres
acanaladuras 25, 26 en el cojinete radial 22, una conducción de
suministro 28, a través de la cual se suministra un flujo
volumétrico Q de un medio de cojinete, y que desemboca en la zona
de la acanaladura central 25, según se ha ilustrado en la Figura 2.
Las dos acanaladuras 26 dispuestas en el lado de esta acanaladura
central 25 están, en cada caso, comunicadas, a través de taladros
de comunicación 29, con las dos acanaladuras 27 del cojinete
hidrostático axial 23. En este ejemplo se han proporcionado dos
acanaladuras 27, que desempeñan la misma acción que una acanaladura
continua 27, según se ilustra en la Figura 2. Por lo tanto, la
distancia entre el diámetro externo de la acanaladura izquierda 27
y el diámetro interno de la acanaladura derecha 27 puede ser
considerada como la anchura de la acanaladura del cojinete
hidrostático axial 23.
Cada una de las dos acanaladuras externas 26 del
cojinete radial 22 está aquí en comunicación con cada una de las
acanaladuras 27 del cojinete axial 23 a través de un sistema de
taladros de comunicación 29 que están dispuestos en un plano de
sección transversal del anillo de obturación 20. Sin embargo, es
también concebible separar las comunicaciones y disponerlas en
diferentes planos de sección transversal del anillo de obturación.
En uno de los planos de sección transversal, por ejemplo, la
acanaladura superior 26 estará en comunicación con la acanaladura
derecha 27, en el siguiente plano de sección transversal, la
acanaladura inferior 26 está en comunicación con la acanaladura
izquierda 27, y en uno siguiente, de nuevo, podrá disponerse, a su
vez, un sistema de taladros de conexión 29, según se muestra en la
Figura 3. En este caso, es también posible, por supuesto, cualquier
combinación deseada, según se requiera.
Si se consideran las distribuciones de presiones
de este anillo de obturación 20, puede observarse entonces que la
distribución de presiones, en comparación con la configuración de
acuerdo con la Figura 2, permanece esencialmente sin cambios en el
cojinete hidrostático axial 21, dentro del contexto de las
relaciones geométricas, al tiempo que la distribución de presiones
en el cojinete hidrostático radial 22 cambia considerablemente.
Esta distribución de presiones, efectuada por la tercera acanaladura
26, es ahora más ancha o extensa y tiene picos de presión más
bajos, lo que significa que dicho anillo de obturación 20 puede
hacerse funcionar con una presión de suministro inferior.
Las tres acanaladuras 25, 26 del cojinete
hidrostático radial pueden disponerse, por supuesto, sustancialmente
como se desee. Por ejemplo, las dos acanaladuras exteriores 26
pueden tener la misma anchura y estar dispuestas simétricamente en
torno a la acanaladura central 25 ó con respecto al propio anillo de
obturación 20. De otro modo, la disposición de las tres
acanaladuras 25, 26 puede también hacerse de manera completamente
asimétrica.
De la misma manera, es concebible proporcionar
más de tres acanaladuras, como resultado de lo cual puede
conseguirse una distribución de presiones aún más plana bajo
ciertas circunstancias.
En los ejemplos de acuerdo con las Figuras 2 y
3, la conducción de suministro 28 desemboca siempre en el cojinete
hidrostático radial 22, en tanto que el cojinete hidrostático axial
21 es alimentado a través de los taladros de comunicación 29. Si es
necesario, esta disposición puede, por supuesto, diseñarse también a
la inversa.
Además, hasta este momento se han supuesto
siempre superficies de cojinete planas 23, 24. Sin embargo, es
también concebible, por supuesto, diseñar las superficies de
cojinete 23, 24 de modo que no sean planas, por ejemplo, grabadas
en forma cóncava o escalonadas, sin que nada cambie en el principio
fundamental del obturador de acuerdo con la invención. En el caso
de tales superficies de cojinete no planas 23, 24, tan solo las
distribuciones de presiones cambiarán en alguna medida, aunque esto
puede observarse claramente por parte de una persona adecuada
experta en la técnica.
Como resultado del funcionamiento del anillo de
obturación 20, aparece una cierta pérdida de la potencia, por
ejemplo, como consecuencia de la potencia que se necesita para una o
más bombas de suministro, como resultado del rozamiento hidráulico
en el espacio de separación de cojinete, como consecuencia de las
pérdidas en el flujo de descarga, es decir, el medio de cojinete
que no puede ser conducido a través del rodete 2, etc., las cuales
se han de mantener lo más bajas posible. Parte de esta pérdida de
potencia puede, por supuesto, recuperarse conduciendo una parte del
medio de cojinete hasta el seno de la corriente de agua principal F
y convirtiéndola en potencia en el rodete 2. Sin embargo, es
deseable minimizar la pérdida de potencia del anillo de obturación
2. Para este propósito, la geometría del anillo de obturación 20, es
decir, la anchura, altura, posición y dimensiones de las
acanaladuras 25, 26, 27 y de las superficies de cojinete 23, 24, las
dimensiones y posición de las conducciones de suministro 28 y de
los taladros de comunicación 29, etc., se han diseñado con el fin
de minimizar la pérdida de potencia producida. Esto puede llevarse a
cabo, por ejemplo, por medio de los cálculos matemáticos, por
ejemplo, numéricos adecuados, con el uso de modelos matemáticos y
físicos del anillo de obturación, en los que se resuelve un problema
de optimización adecuadamente formulado. Con el uso de computadoras
convencionales y del software o programación apropiada, dicho
problema de optimización puede ser resuelto. Por supuesto, es
también posible incluir en estos cálculos la geometría y/o las
características de funcionamiento, por ejemplo, puntos de diseño,
potencias y presiones, etc., de la máquina hidráulica.
Con el fin de mejorar la acción de cojinete y la
estabilidad, pueden dotarse una o más de las superficies de
cojinete 23, 24 de bolsillos de lubricación hidrodinámica
suficientemente bien conocidos.
En principio, se hará converger un cierto número
de conducciones de suministro 28 en una gran conducción de
recogida, la cual se alimenta entonces con medio de cojinete
mediante una fuente de medio de cojinete, tal como una bomba. El
número de fuentes de medio de cojinete y de conducciones de recogida
puede, por supuesto, seleccionarse libremente según se requiera
aquí.
Puede disponerse, por supuesto, un obturador de
acuerdo con la invención, que tenga un anillo de obturación 20, en
cualquier lugar adecuado, de modo que no está limitado a las
realizaciones proporcionadas a modo de ejemplo de acuerdo con las
Figuras 2 y 3. Por ejemplo, el anillo de obturación 20 puede
disponerse también entre el lado anterior o frontal del rodete 2 ó
el disco de cubierta interno 11 y el alojamiento 12 de la turbina.
Es igualmente concebible proporcionar dicho obturador en un lugar
adecuado entre el disco de cubierta externo 10 y el alojamiento 12
de la
máquina.
máquina.
Además, la disposición de las acanaladuras 25,
26, 27, así como de los taladros de comunicación 29 y de la
conducción de suministro 28 de las Figuras 2 y 3, es meramente a
modo de ejemplo. En su lugar, esta disposición puede seleccionarse
según se desee dentro del ámbito de la invención. Por ejemplo, la
acanaladura 26 que está comunicada, a través del taladro de
comunicación 29, con la acanaladura 27 del otro cojinete
hidrostático 21, puede asimismo disponerse igualmente bien en las
inmediaciones del rebaje 30, es decir, por debajo de la acanaladura
25 en la Figura 2. Puede reproducirse de la misma manera toda la
disposición como imagen especular en las diagonales del anillo de
obturación. Por supuesto, todas las variantes posibles y concebibles
están cubiertas por esta solicitud.
El obturador anteriormente descrito constituye
un obturador en gran medida estanco. Toda la cantidad de agua fluye
en líneas o vetas de flujo a través del rodete y puede ser
transformada en energía rotacional. Las pérdidas de agua en los
espacios de separación son, en este caso, reducidas a tan solo el
medio de cojinete que brota o emerge, son, por tanto, muy pequeñas
y pueden ser de recuperadas nuevamente en parte conduciendo el agua
de espacio de separación hasta el seno de la corriente de agua
principal F.
En todas las fases del funcionamiento ha de
evitarse, en la medida de lo posible, la situación en la que el
anillo de obturación 20 entra en contacto con las superficies de
cojinete 23, 24 ó se establecen estados de rozamiento mixtos o
combinados en los cojinetes hidráulicos 21, 22, puesto que,
entonces, el anillo de obturación 20 puede resultar muy fácilmente
dañado o incluso destruido. Por tanto, cuando se ponga en marcha la
turbina 1, el anillo de obturación 20 deberá ya haber sido
levantado, es decir, deberán haberse alcanzado ya los espacios de
separación de cojinete deseados. Esto puede lograrse sencillamente
poniendo en marcha en primer lugar el suministro de los cojinetes
hidráulicos 21, 22, y únicamente después conectando la turbina
1.
En el caso de fallo en el suministro de los
cojinetes hidrostáticos 21, 22, habrá de ser posible, por ejemplo,
proporcionar un suministro de emergencia, tal como un depósito de
aire, con el fin de evitar daños en el anillo de obturación 20 de
la máquina hidráulica que llevarían consigo un trabajo de
mantenimiento complicado.
Durante la primera puesta en servicio del anillo
de obturación 20, sin embargo, puede resultar deseable establecer
un estado de rozamiento mixto controlado en los cojinetes
hidráulicos 21, 22, de tal modo que pueda imprimirse o grabarse un
patrón o dibujo de cojinete en las superficies de cojinete 23, 24
por medio del cual puedan compensarse ciertas imprecisiones en la
fabricación. Como los espacios de separación de cojinete se
encuentran en el intervalo de las centenas de \mum o por debajo,
se observa, por supuesto, el cuidado apropiado.
En la descripción anterior, por razones de
simplicidad, se ha descrito el agua como medio de cojinete. Por
supuesto, en el caso de las bombas sobre todo, el medio de cojinete
puede ser también cualquier otro medio adecuado que se desee, tal
como un aceite.
Con propósitos de claridad, en toda la
solicitud, las acanaladuras, estrías o similares se han mencionado
siempre como elementos de cojinete. Sin embargo, es absolutamente
concebible no definir uno o más elementos de cojinete claramente de
esta forma. Cualquier flujo por un espacio de separación, incluso
entre superficies lisas, carentes de acanaladuras, tiene,
naturalmente, una cierta resistencia hidráulica, de tal manera que
un cojinete hidrostático funcionará incluso sin elementos de
cojinete definidos, por ejemplo, únicamente con superficies planas.
Por otra parte, el resultado de la rugosidad superficial será una
influencia adicional en la resistencia hidráulica; por ejemplo, las
superficies de cojinete 23, 24 podrán ser impresas o grabadas de
forma diferente con el fin de formar "elementos de
cojinete".
Claims (34)
1. Un aparato para obturar un espacio de
separación entre dos partes móviles entre sí de una máquina
hidráulica, con al menos un elemento de obturación que está montado,
con respecto a las dos partes móviles, por medio de al menos un
cojinete hidrostático en cada caso, de tal modo que cada uno de los
cojinetes hidrostáticos comprende superficies de cojinete
enfrentadas una con otra, y al menos una de las superficies de
cojinete tiene al menos un elemento de cojinete, tal como una
acanaladura, una estría o similar, que puede ser alimentado con un
medio de cojinete hidráulico a través de al menos una línea o
conducción de suministro, caracterizado porque se ha
dispuesto, a una cierta distancia del primer elemento de cojinete de
un primer cojinete hidrostático, al menos un segundo elemento de
cojinete adicional del primer cojinete hidrostático, el cual está
unido o comunicado con el primer elemento de cojinete a través de
una resistencia hidráulica, de modo que la conducción de suministro
para este cojinete desemboca únicamente en la superficie de
cojinete, en la zona del primer elemento de cojinete.
2. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque el segundo elemento de
cojinete del primer cojinete hidrostático está unido o comunicado
con un elemento de cojinete de la superficie de cojinete del
segundo cojinete hidrostático por medio de una comunicación
hidráulica.
3. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque el primer elemento de
cojinete del primer cojinete hidrostático no tiene ninguna
comunicación hidráulica directa con el segundo cojinete
hidrostático.
4. El aparato de acuerdo con las
reivindicaciones 1, 2 ó 3, caracterizado porque al segundo
elemento de cojinete del primer cojinete hidrostático no se le ha
asignado directamente ninguna desembocadura de una conducción de
suministro.
5. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la anchura del
segundo elemento de cojinete del primer cojinete hidrostático,
tomando como base la anchura de este primer cojinete hidrostático,
es más pequeña que la anchura del elemento o elementos de cojinete
del segundo cojinete hidrostático, tomando como base la anchura de
este cojinete hidrostático.
6. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el elemento de
cojinete está formado como un anillo de obturación.
7. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el elemento de
obturación se ha dispuesto montado de manera flotante sobre los
cojinetes hidrostáticos.
8. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las partes
móviles de la máquina hidráulica son una hélice o rodete y un
alojamiento de la máquina hidráulica, en particular, de una
turbo-máquina.
9. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la máquina
hidráulica es una turbina, en particular, una turbina Francis, o
una turbina de bomba.
10. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la máquina
hidráulica es una bomba.
11. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el elemento de
cojinete se ha formado como una acanaladura anular que puede ser
interrumpida en ciertas secciones a lo largo de la
circunferencia.
12. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 2 a 11, caracterizado porque la unión o
comunicación hidráulica existente en el elemento de obturación está
formada, al menos parcialmente, como un taladro.
13. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque la conducción
de suministro está formada, al menos parcialmente, como un taladro
en el alojamiento de la máquina hidráulica.
14. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque, dadas ciertas
dimensiones geométricas predefinidas del elemento de obturación,
tales como la altura y la anchura del anillo de obturación, la
disposición y la anchura de los elementos de cojinete, en
particular, de las acanaladuras, estrías, etc., la distancia entre
el primer y el segundo elementos de cojinete del primer cojinete
hidrostático es más pequeña que una distancia máxima
predeterminada.
15. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se han
dispuesto tres o más elementos de cojinete, separados unos de
otros, en las superficies de cojinete del primer cojinete
hidrostático, de tal modo que la al menos una conducción de
suministro desemboca en el elemento de cojinete central, y, de
entre los elementos de cojinete restantes del primer cojinete
hidrostático, al menos dos elementos de cojinete están en
comunicación con al menos uno de los elementos de cojinete del
segundo cojinete hidrostático a través de al menos una comunicación
hidráulica, en cada caso.
16. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 15, caracterizado porque el elemento de
cojinete central está diseñado de manera que sea más ancho o
extenso que los elementos de cojinete restantes del primer
cojinete.
17. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 15 ó la reivindicación 16, caracterizado
porque el primer cojinete hidrostático tiene una pluralidad de
elementos de cojinete, por ejemplo, tres elementos de cojinete, y
el segundo cojinete hidrostático tiene un único elemento de
cojinete, de tal manera que la distancia entre los bordes externos
de los dos exteriores de entre los elementos de cojinete, tomando
como base la anchura de este cojinete hidrostático, es más pequeña
que la anchura del elemento de cojinete del segundo cojinete
hidrostático, tomando como base la anchura de este cojinete
hidrostático.
18. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 17, caracterizado porque los cojinetes
hidrostáticos pueden ser alimentados con un flujo volumétrico
sustancialmente constante del medio de cojinete, a través de una
conducción de suministro.
19. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 18, caracterizado porque la conducción
de suministro, o bien una serie de conducciones de suministro, está
comunicada con al menos una bomba.
20. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 19, caracterizado porque la conducción
de suministro, o bien una serie de conducciones de suministro, está
comunicada a la fuente hidráulica de cabecera de una máquina
hidráulica que tiene el
obturador.
obturador.
21. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 19 ó la reivindicación 20, caracterizado
porque se ha dispuesto al menos un limitador aguas arriba de la
desembocadura de la conducción de suministro, o bien de la serie de
conducciones de suministro, en el cojinete hidrostático.
22. El aparato de acuerdo con la
reivindicación 21, caracterizado porque el limitador está
diseñado como una válvula de regulación de flujo.
23. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque la geometría
del elemento de obturación, por ejemplo, la anchura, la altura, la
posición y dimensiones de los elementos de cojinete y de las
superficies de cojinete, las dimensiones de la conducción de
suministro y de las comunicaciones hidráulicas, etc., pueden estar
predefinidas de tal manera que la pérdida de potencia del obturador
se establezca sustancialmente en un mínimo.
24. El aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 23, caracterizado porque se ha
dispuesto, en al menos una de las superficies de cojinete, al menos
un elemento de cojinete hidrodinámico, preferiblemente un bolsillo
de lubricación.
25. Un método para hacer funcionar un
obturador para un espacio de separación existente entre dos partes
móviles una con respecto a otra de una máquina hidráulica, que
comprende al menos un elemento de obturación que está montado, en
relación con las dos partes móviles, por medio de al menos un
cojinete hidrostático en cada caso, caracterizado porque,
antes de que se ponga en marcha o active la máquina hidráulica, se
suministra a al menos un primer cojinete hidrostático, por medio de
una fuente de suministro, un flujo volumétrico, preferiblemente un
flujo volumétrico sustancialmente constante, de un medio hidráulico,
de tal modo que el elemento de obturación es levantado con respecto
a las superficies de obturación de los cojinetes hidrostáticos, y se
establecen espacios de separación de cojinete predefinidos de una
manera sustancialmente estable, y porque la máquina hidráulica se
pone entonces en marcha.
26. El método de acuerdo con la
reivindicación 25, caracterizado porque, en el caso de fallo
del flujo volumétrico que alimenta los cojinetes hidráulicos, la
máquina hidráulica se desconecta o detiene.
27. El método de acuerdo con la
reivindicación 25 ó la reivindicación 26, caracterizado
porque, en el caso de fallo en la alimentación de cojinete, los
cojinetes hidráulicos son alimentados desde una fuente de
suministro de emergencia, tal como un depósito de aire o un depósito
de suministro de emergencia, al menos durante un cierto periodo de
tiempo.
28. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 25 a 27, caracterizado porque, una vez que
se ha realizado la puesta en régimen de la máquina hidráulica, el
flujo volumétrico se reduce sustancialmente hasta un mínimo, por
ejemplo, al desconectarse un cierto número de las fuentes de
suministro.
29. El método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 25 a 28, caracterizado porque los cambios
naturales en la geometría del elemento de obturación, tales como
los causados por las influencias de la temperatura, los efectos de
la fuerza centrífuga, el hinchado del elemento de obturación en el
seno del medio, etc., son compensados variando el flujo volumétrico
que se suministra de tal manera que los espacios de separación de
cojinete permanezcan sustancialmente constantes.
30. Un método para la puesta en servicio de
un obturador para un espacio de separación existente entre dos
partes móviles una con respecto a otra de una máquina hidráulica,
que tiene al menos un elemento de obturación que está montado, con
respecto a las dos partes, por medio de al menos un cojinete
hidrostático en cada caso, caracterizado porque, antes de
que se ponga en marcha o conecte la máquina hidráulica, se
suministra a al menos uno de los cojinetes hidrostáticos un flujo
volumétrico sustancialmente constante, de tal modo que el elemento
de obturación es levantado con respecto a las superficies de
obturación de los cojinetes hidrostáticos y se establecen espacios
de separación de cojinete predefinidos, porque la máquina hidráulica
se pone a continuación en marcha, y porque el flujo volumétrico es
entonces reducido de una manera controlada hasta que las superficies
de cojinete del elemento de obturación y las superficies de
cojinete asociadas situadas en la máquina hidráulica cambien a un
estado de rozamiento, preferiblemente un estado de fricción
combinado o mixto, y comiencen a frotarse, de tal manera que se
imprima o grabe un patrón o dibujo de cojinete en las superficies de
cojinete.
31. El método de acuerdo con la
reivindicación 30, caracterizado porque, después y/o durante
el grabado de un dibujo de cojinete, el flujo volumétrico se
incrementa, de tal manera que se establecen sustancialmente los
espacios de separación de cojinete predefinidos para el
funcionamiento.
32. Un método para diseñar un obturador para
un espacio de separación existente entre dos partes móviles una con
respecto a otra de una máquina hidráulica, que tiene al menos un
elemento de obturación que está montado, con respecto a las dos
partes, por medio de al menos un cojinete hidrostático en cada caso,
caracterizado porque se ha predefinido una pérdida de
potencia en el obturador, y la geometría del obturador, por ejemplo,
la anchura, altura, posición y dimensiones de los elementos de
cojinete y de las superficies de cojinete del elemento de
obturación, las dimensiones de la línea o conducción de suministro y
de las comunicaciones hidráulicas, etc., se calculan utilizando
modelos matemáticos y físicos del obturador, al tiempo que se tiene
en cuenta la pérdida de potencia predefinida y/o la geometría y/o
las características de funcionamiento de la máquina
hidráulica.
hidráulica.
33. El método de acuerdo con la
reivindicación 32, caracterizado porque la geometría se
optimiza con respecto al consumo de energía, con lo que se
minimiza, por tanto, sustancialmente la pérdida de potencia del
obturador.
34. El método de acuerdo con la
reivindicación 32 ó la reivindicación 33, caracterizado
porque los
cálculos se llevan a cabo en una computadora.
cálculos se llevan a cabo en una computadora.
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