ES2285385T3 - Dispositivo de junta laberintica para motor de turbian de gas. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de junta de estanqueidad de laberinto para motor de turbina de gas que comprende, de aguas arriba hacia aguas abajo, un compresor de alta presión con un rotor (2), un difusor (6) y un elemento de pared (10) fijo que forma, al menos, parte de la cubierta interna de la cámara de combustión (8), comprendiendo dicha junta (20) una pieza (22) de estator montada en el elemento de pared merced a un medio (24) de fijación de bridas (25 y 26) y que soporta una pieza (23) de desgaste anular, cooperando dicha pieza de desgaste con un elemento (28) de rotor, provisto de, al menos, una hoja circunferencial (28A) y solidario con el rotor (2) del compresor, para dar lugar a la estanqueidad de laberinto, caracterizado porque al menos una de las bridas (25, 26) de dicho medio (24) de fijación presenta una masa suficiente para armonizar la velocidad de dilatación de la pieza (22) de estator en relación con la velocidad de dilatación del elemento (28) de rotor durante las aceleraciones del motor.

Description

Dispositivo de junta laberíntica para motor de turbina de gas.

La presente invención se refiere al campo de los motores de turbina de gas y tiene por objeto un dispositivo de estanqueidad que comprende una junta de laberinto para una parte giratoria del motor situada al nivel de la cámara de combustión.

La invención se aplica, en particular, a los motores en los que una junta de laberinto garantice la estanqueidad entre el flujo de gas a la salida del compresor de alta presión y el espacio de debajo de la cámara de combustión delimitado por el cárter de difusor inmediatamente aguas abajo del compresor de alta presión y del árbol del motor.

Una junta de laberinto está constituida por una pieza cilíndrica solidaria con el rotor y coaxial con el eje de rotación del motor. En esta pieza están montados una pluralidad de elementos, denominados lonchas, en forma de hojas circunferenciales perpendiculares al eje del motor, con un borde libre estrechado y previstas paralelamente entre sí. Las hojas cooperan con una pieza cilíndrica solidaria con el estator. Cada hoja se mantiene a poca distancia de la pieza cilíndrica de estator y forma un estrangulamiento para todo flujo de fluido que resulte de una diferencia de presión a una y otra parte de la junta. La holgura existente entre las dos piezas determina el caudal de fuga a través de la junta de laberinto. Con el fin de evitar que las hojas giratorias se dañen en caso de contacto, el elemento cilíndrico del estator se reviste con una pieza de desgaste de un material susceptible de deformarse, preferiblemente, en relación con el material que constituya las hojas. Se trata, por ejemplo, de un material alveolado o del tipo conocido en la técnica mediante el término abrasivo.

En el caso de la junta de laberinto citada en lo que antecede, se aprovecha este medio para controlar el caudal de aire procedente del compresor que la atraviesa, y dirigido hacia los medios de ventilación del disco de turbina inmediatamente aguas abajo de la cámara de combustión. Este aire proviene del espacio que existe entre el disco con álabes del rotor del compresor de alta presión y el difusor. La presión que reina en el espacio situado inmediatamente aguas abajo de esta purga se determina mediante el estrangulamiento creado por el laberinto. Se constata que la presión está sometida a fluctuaciones dañinas para el rotor si la holgura experimenta variaciones causadas por una dilatación no controlada de las hojas de la junta. Hay necesidad, por tanto, de controlar la holgura radial del laberinto.

Durante ciertas fases de funcionamiento del motor, como la aceleración, por ejemplo, el aire proveniente del compresor puede sufrir una elevación de temperatura importante en un tiempo muy corto. La parte de estator de la junta se encuentra sometida a una temperatura elevada, mientras que los elementos de rotor de la junta, situados a mayor profundidad en el motor, están menos expuestos. Así, en la medida en que las dos partes de la junta no se dilaten de la misma manera, se produce una tendencia a una apertura importante de la holgura. Por tanto, se trata de controlar la holgura radial del laberinto.

En la patente US 4 554 789, se describe un medio para minimizar la dilatación térmica diferencial entre los dos órganos de la junta y permitir así el mantenimiento de una holgura reducida durante todas las fases de funcionamiento del motor. Se purga aire aguas abajo del difusor del compresor, y se dirige, a través de orificios previstos en el cárter de difusor interno de la cámara de combustión, a una cavidad anular que rodea al elemento de estator de la junta. Los orificios están previstos de manera que creen chorros de aire de refrigeración por impacto contra la pared exterior de las piezas de desgaste de la junta. Durante las fases transitorias de funcionamiento, este aire, que, entonces, se encuentra a una temperatura más alta, calienta esta pared. Así, este aire cumple una función de acondicionamiento y asegura un control de la dilatación de la holgura. A continuación, el aire es guiado desde esta cavidad, a través de orificios calibrados, directamente al espacio entre el estator y las hojas del rotor, donde asegura la refrigeración de las mismas.

Se observa que la virola que soporta las piezas de desgaste comprende una brida, aguas abajo, mediante la cual se fija en una brida solidaria con la pared del cárter del difusor, en la cámara de combustión.

Se conoce, también, la patente US 5 333 993 cuyo objeto consiste en una junta de laberinto prevista entre el compresor de alta presión y la turbina de alta presión. Hay definido un espacio libre no ventilado en torno al órgano de estator de la junta que soporta los elementos alveolados. Hay anillos posicionados en este espacio, en torno a dicho soporte. Están hechos de un material que presenta un coeficiente de dilatación inferior al del segmento de estanqueidad. Se garantiza así una holgura mínima entre las hojas y el material alveolado durante las fases de aceleración del motor.

La presente invención tiene por objeto una solución merced a la cual pueda controlarse la respuesta térmica de la junta durante las fases transitorias de funcionamiento del motor, con el fin de aumentar la vida útil de la junta.

La invención tiene por objeto, también, asegurar una estabilidad mayor del flujo del aire a través de la junta, con el fin de limitar las fluctuaciones de presión en la purga del compresor.

La invención consigue estos objetivos mediante un dispositivo de junta de estanqueidad de laberinto para motor de turbina de gas que comprende, de aguas arriba hacia aguas abajo, un compresor de alta presión, un difusor y un elemento de pared fijo que constituye, al menos, parte de la cubierta interna de la cámara de combustión, comprendiendo dicha junta una pieza de estator montada en el elemento de pared merced a un medio de fijación por bridas y que soporta una pieza de desgaste anular, cooperando dicha pieza de desgaste con un elemento de rotor, provisto de hojas circunferenciales y solidario con el rotor del compresor, para dar lugar a la estanqueidad de laberinto, caracterizado porque al menos una de las bridas de dicho medio de fijación presenta una masa suficiente para armonizar la velocidad de dilatación de la pieza de estator en relación con la velocidad de dilatación del elemento de rotor durante las fases de aceleración del motor.

La invención permite así, merced a un medio simple, resolver el problema del control de la holgura en la junta de laberinto.

Conforme a un modo de realización preferido, el elemento de pared comprende orificios de ventilación previstos en la proximidad inmediata del medio de fijación. Al purgar el aire inmediatamente aguas abajo de la última etapa del compresor y al prever los orificios calibrados de manera adecuada, se controla fácilmente la dilatación del elemento de estator durante las fases transitorias de funcionamiento del motor.

Ventajosamente, la pieza de estator de la junta comprende una primera parte que cubre la pieza de desgaste, prolongada, aguas abajo, mediante una segunda parte anular solidaria con una brida de fijación radial por su cara exterior, cooperando dicha brida de fijación externa con una brida de fijación interior solidaria con dicho elemento de pared, con el fin de constituir el medio de fijación.

La segunda parte de la pieza anular de estator, el medio de fijación y el elemento de pared definen, entre sí, una primera cavidad. En particular, la primera cavidad es alimentada a través de los orificios de ventilación.

Conforme a otra característica, la primera parte de la pieza anular de estator forma, con este elemento de pared, un paso abierto hacia aguas arriba, siendo guiado el aire procedente de los agujeros de ventilación por la primera cavidad y, después, por dicho paso delantero, antes de ser evacuado aguas arriba de la junta de laberinto. Mediante este dispositivo se asegura un barrido continuo de la primera parte, de soporte de la pieza de desgaste, que contribuye a estabilizar esta pieza en relación con las variaciones de temperatura, como consecuencia de calentamientos producidos por eventuales rozamientos.

De acuerdo con otra característica, la segunda parte anular se prolonga, aguas abajo de la brida, mediante una tercera parte, formando dichas segunda y tercera partes un conducto de guiado de aire de fuga del compresor, alejado de la pared de la cubierta de la cámara de combustión. En particular, la tercera parte forma una segunda cavidad con el elemento de pared de la cubierta de la cámara de combustión.

La invención se comprenderá mejor y otras ventajas se pondrán de manifiesto a partir de la descripción que sigue de un modo de realización preferido de la invención, acompañada del dibujo, en el que

la figura única representa, en corte axial, una vista parcial de un motor de turbina de gas que comprende un dispositivo de estanqueidad de junta de laberinto conforme a la invención.

El motor representado en la figura única comprende, de izquierda a derecha, es decir, de aguas arriba hacia aguas abajo, en relación con la circulación del flujo de gas, un rotor 2 con un disco 4 de compresor en el que se han omitido los álabes. Se trata, en este caso, del compresor de alta presión que comunica con un difusor constituido por álabes fijos 6. A partir de esta etapa, el aire es introducido en el recinto 7, que comprende la cámara de combustión 8. Solamente puede verse parte del extremo de aguas arriba de la cámara 8. El recinto 7 de la cámara comprende una pared interna 10 conectada con la etapa 6 por debajo de las plataformas 61. Como puede verse, estas se encuentran, entonces, a modo de cornisa en el interior del recinto 7. La pared 10 es solidaria con una pared 11 de aguas abajo, que solamente puede verse en parte y que se prolonga hasta la entrada de la etapa de la turbina de alta presión, no representada. La turbina está montada en el mismo árbol de rotor 2 que ella acciona. A su vez, es accionada mediante los gases provenientes de la cámara de combustión.

Una junta 41 de estanqueidad está prevista cerca de la vena de aire, entre el disco 4 y los álabes 6 del difusor. El aire F de fuga es guiado hacia aguas abajo, donde es utilizado, en particular, para la refrigeración de partes conectadas con la turbina. El caudal de este flujo de aire se limita gracias a la interposición de una junta 20 de laberinto en el espacio de debajo de la cámara de combustión.

Esta junta 20 comprende un elemento 28 anular de rotor provisto en su cara externa de una pluralidad de hojas radiales 28A, cinco en este caso, circunferenciales y paralelas entre sí. Podría haber, solamente, una hoja. La junta está compuesta, también, por un elemento 22 de estator. Este elemento comprende una primera parte 22A, que soporta una pieza 23 de desgaste. La pieza de desgaste, que puede tener una sola o varias partes, cubre las hojas 28A a una distancia determinada, que constituye la holgura de la junta. En funcionamiento, como consecuencia de la diferencia de presión entre los dos lados de la junta, el aire fluye desde la zona de alta presión, aguas arriba, en dirección a la zona de presión más baja, aguas abajo. Este caudal de fuga es función de la holgura. La pieza 23 de desgaste está hecha de un material abrasivo, cuya resistencia mecánica sea lo bastante pequeña como para ceder o erosionarse cuando las hojas rocen contra ella accidentalmente.

El elemento de estator comprende una segunda parte 22B y una tercera parte 22C. Estas partes son anulares y una se encuentra en la prolongación de otra. Una brida circunferencial radial, 25, está soldada con la cara externa del elemento 22 o fijada en ella de cualquier otra manera. La brida 25 está fijada, mediante pernos 27, en una brida circunferencial radial 26 solidaria con la cara interna del elemento de pared 10. En conjunto, las bridas y los pernos constituyen el medio 24 de fijación del elemento 22 de estator en el elemento de pared 10. Ventajosamente, los elementos 22B y 22C están conformados de manera que delimiten, con la pared del rotor 2, un canal anular de apertura determinada. Este carenado garantiza el guiado del aire de fuga procedente del compresor que circule hacia aguas abajo y un flujo lo menos perturbado posible. Asimismo, reduce los calentamientos del aire.

Como puede verse en la figura, los elementos 22B, 10 y 24 delimitan, entre sí, una primera cavidad anular C_{1}. La altura de esta cavidad C_{1}, entre las paredes 22B y 10, está determinada por la altura del medio 24 de fijación. Aguas abajo del medio 24, los elementos de pared 22C y 10 definen, entre sí, una segunda cavidad C_{2}. Este carenado interior ofrece la ventaja adicional de aislar el aire que circule junto al rotor.

Hay practicados orificios o agujeros 10A de ventilación, calibrados, en la pared 10, inmediatamente aguas arriba de la brida 26. Están orientados con vistas a alimentar la cavidad C_{1}. Ventajosamente, estos agujeros 10A están inclinados con el fin de comunicar cierta pre-rotación inicial al fluido. Están posicionados lo más cerca posible de la brida que pilota el desplazamiento del laberinto para la regulación de la holgura, con el fin de refrigerarla. El aire que haya circulado por la cavidad C_{1} es dirigido hacia el paso formado entre el elemento de pared 10 y el elemento 22A de estator. Así la cavidad C_{1} garantiza la ventilación por encima del soporte abrasivo con objeto de refrigerarlo. El basculamiento de éste se limita con vistas a una holgura casi constante en relación con las cinco hojas o lonchas. El calentamiento de la junta de laberinto es evacuado durante los contactos entre las lonchas y el abrasivo.

El funcionamiento del dispositivo de junta de estanqueidad de laberinto de la invención es el siguiente.

Durante las fases de aceleración del motor, el aire proveniente del compresor se encuentra a una temperatura elevada. Al seleccionar una brida 25 o 26 masiva, que presente una inercia térmica importante, puede aumentarse el tiempo de respuesta de la dilatación del elemento 22A de estator. De ese modo, la holgura entre el elemento 22A de estator y el elemento 28 tiene tendencia a abrirse menos, dando lugar a un caudal de fuga menor y un rendimiento mejorado.

Se controla el caudal de aire merced a la disposición y el calibrado de los orificios de ventilación 10A, de manera que la dilatación del estator acompañe a la del rotor. En particular, la sección de paso de la cavidad C_{1} es superior, o al menos igual, a la sección de los agujeros 10A, con el fin de no disminuir la permeabilidad del sistema. Los agujeros 10A calibran el caudal de refrigeración del laberinto. Por otro lado, la presencia de la primera cavidad C_{1} permite una mejor homogeneización de la temperatura, a lo largo de las piezas 22B y 24.

En régimen permanente, la refrigeración del elemento de estator se garantiza merced al barrido de la zona anular que rodea al elemento 22A de estator, por debajo de la pared 10.

Claims (7)

1. Dispositivo de junta de estanqueidad de laberinto para motor de turbina de gas que comprende, de aguas arriba hacia aguas abajo, un compresor de alta presión con un rotor (2), un difusor (6) y un elemento de pared (10) fijo que forma, al menos, parte de la cubierta interna de la cámara de combustión (8), comprendiendo dicha junta (20) una pieza (22) de estator montada en el elemento de pared merced a un medio (24) de fijación de bridas (25 y 26) y que soporta una pieza (23) de desgaste anular, cooperando dicha pieza de desgaste con un elemento (28) de rotor, provisto de, al menos, una hoja circunferencial (28A) y solidario con el rotor (2) del compresor, para dar lugar a la estanqueidad de laberinto, caracterizado porque al menos una de las bridas (25, 26) de dicho medio (24) de fijación presenta una masa suficiente para armonizar la velocidad de dilatación de la pieza (22) de estator en relación con la velocidad de dilatación del elemento (28) de rotor durante las aceleraciones del motor.

2. Dispositivo según la reivindicación precedente, en el que el elemento de pared (10) comprende orificios (10A) de ventilación previstos en la proximidad inmediata del medio (24) de fijación.

3. Dispositivo según las reivindicaciones 1 o 2, en el que la pieza (22) de estator de la junta comprende una primera parte (22A), que cubre la pieza (23) de desgaste, prolongada, aguas abajo, mediante una segunda parte anular (22B) solidaria con una brida (25) de fijación radial por su cara exterior, cooperando dicha brida (25) de fijación externa con una brida (26) de fijación interior solidaria con dicho elemento de pared (10) con el fin de constituir el medio (24) de fijación, definiendo la segunda parte (22B), el medio (24) de fijación y el elemento de pared (10) una primera cavidad (C_{1}).

4. Dispositivo según la reivindicación precedente, en el que la primera cavidad (C_{1}) se alimenta merced a los orificios (10A) de ventilación.

5. Dispositivo según la reivindicación precedente, en el que la segunda parte anular (22B) se prolonga, aguas abajo de la brida (25), mediante una tercera parte (22C), formando dichas segunda (22B) y tercera (22C) partes un conducto de guiado de aire de fuga del compresor, alejado de la pared de la cubierta de la cámara de combustión.

6. Dispositivo según la reivindicación precedente, en el que la tercera parte (22C) forma una segunda cavidad (C_{2}) con el elemento de pared (10) de la cubierta de la cámara de combustión.

7. Dispositivo según la reivindicación precedente, en el que la primera parte (22A) forma, con el elemento de pared (10), un paso abierto hacia aguas arriba, siendo guiado el aire que procede de los agujeros (10A) de ventilación por la primera cavidad (C_{1}), y, después, por dicho paso, antes de ser evacuado aguas arriba de la junta de laberinto.