ES2296220T3 - Disposicion de obturacion. - Google Patents

Abstract

Disposición de obturación, en particular para un compresor de tipo dinámico, para la obturación no hermética de una ranura (12) entre un rotor (10) y un estator (11), con una obturación que dispone de varios elementos de obturación que están fijados a un soporte del elemento de obturación, estando dispuesto el soporte del elemento de obturación, al menos en una sección, en un espacio de alojamiento (16) que está limitado por un elemento de soporte (17) y un elemento de cubierta (18), caracterizada porque el soporte del elemento de obturación está conformado como anillo interrumpido una o varias veces, solapándose los extremos (19, 20) libres del soporte del elemento de obturación en la región de las posiciones de interrupción en la dirección de contorno, estando adaptados los contornos del elemento de soporte (17) y del elemento de cubierta (18) a los contorno del soporte del elemento de obturación y de los elementos de obturación (15), y estando asignado al menos a un extremo (19, 20) de cada pieza del soporte del elemento de obturación un dispositivo de protección contra la torsión (21, 22).

Description

Disposición de obturación.

La invención se refiere a una disposición de obturación según el preámbulo de la reivindicación 1. Adicionalmente, la invención se refiere a un compresor de tipo dinámico, una turbina de gas, así como una turbina de vapor.

En el caso de los compresores de tipo dinámico, en particular en el caso de turbinas de gas como motores de avión, hay una serie de casos de aplicación en los que dos piezas móviles de modo relativo entre ellas, en concreto un estator y un rotor del compresor de tipo dinámico, han de ser obturados frente una corriente de gas que pasa a través del compresor de tipo dinámico. De este modo, en particular, las turbinas de gas están formadas, entre otras cosas, por al menos un compresor, así como al menos una turbina, presentando tanto el compresor, o cada uno de los compresores, como la turbina, o cada una de las turbinas, un rotor que rota respecto a un estator que está fijo. En el caso del estator se trata en este caso, en particular, de una carcasa fija a la que están asignados álabes directores, así como a la carcasa fija.

Para la optimización del rendimiento, en particular, de turbinas de gas, se requiere, entre otras cosas, minimizar corrientes de fuga entre el rotor que está rotando y el estator que está fijo del compresor y de la turbina. En este caso se ha de obturar, en particular, una ranura entre extremos dispuestos en el interior radialmente de los álabes directores fijos y el rotor que está girando. Una disposición de obturación para la obturación de la ranura entre los extremos dispuestos en el interior radialmente de los álabes directores y el rotor que gira se designa también como "inner air seal". Otra ranura que ha de ser obturada se encuentra, por ejemplo, entre los extremos dispuestos en el exterior radialmente de los álabes directores que rotan y la carcasa que está fija. Una disposición de obturación para la obturación de la ranura entre los extremos dispuestos en el exterior radialmente de los álabes directores que rotan y la carcasa también se designa como "outer air seal".

Adicionalmente se han obturar otras ranuras entre un rotor que está rotando y el estator que está fijo. Las disposiciones de obturación entre un rotor y un estator también se designan como disposiciones de obturación dinámicas.

Del estado de la técnica se conoce ya el hecho de conformar disposiciones de obturaciones dinámicas para la obturación no hermética de una ranura entre un rotor y un estator como obturación de cepillo. Como estado de la técnica que muestra obturaciones de cepillo se hace referencia aquí al documento DE 195 27 605 C2 o al documento DE 101 22 732 C2, o bien al documento US3474305. En las obturaciones de cepillo conocidas del estado de la técnica, mencionadas anteriormente, la obturación de cepillo está conformada por varias cerdas a modo de alambre, que están arrolladas alrededor de un soporte de cerdas, estando formado el soporte de cerdas por un núcleo y un anillo opresor. La unidad formada por el soporte de las cerdas y las cerdas, que conforma la propia obturación de cepillo está dispuesta en un espacio de alojamiento que está limitado por un anillo de soporte y un anillo de biselado.

En las obturaciones de cepillo según el documento DE 195 27 605 C2, así como el documento DE 101 22 732 C2, el soporte de las cerdas está conformado por el núcleo, así como por el anillo de apriete como anillo cerrado, que está posicionado en el espacio de alojamiento de modo fijo e inmóvil, en particular por medio de aprieto. De modo condicionado por medio de esta configuración conocida del estado de la técnica del soporte de cerdas como anillo cerrado, éste mismo no es elástico, de manera que, por un lado, por ejemplo, se pueden compensar sólo de un modo limitado excentricidades u otras modificaciones mecánicas de la ranura que se ha de obturar entre el rotor y el estator, y por otro lado, variaciones térmicas de la ranura que se ha de obturar entre el rotor y el estator condicionadas por medio de, por ejemplo, diferentes coeficientes de dilatación térmicos de obturaciones de cepillo conocidas. En las obturaciones de cepillo conocidas del estado de la técnica, la compensación de una ranura variable que ha de ser obturada se realiza por medio de la amortiguación de las cerdas, gracias a lo cual, por un lado, se genera un calor de fricción considerable, y por medio de lo cual, por otro lado, las cerdas de la obturación de cepillo están sometidas a un desgaste considerable. Las obturaciones de cepillo conocidas del estado de la técnica, según esto, pueden compensar sólo de un modo insuficiente variaciones de la ranura que se ha de obturar que se ajusten durante el funcionamiento.

Partiendo de esto, la presente invención se basa en el objetivo de crear una nueva disposición de obturación. Este objetivo se consigue por medio del hecho de que la disposición de obturación mencionada al comienzo esté mejorada por medio de las características de la parte caracterizadora de la reivindicación 1. Según la invención, el soporte del elemento de obturación está conformado como anillo interrumpido una o varias veces, solapándose los extremos libres del soporte del elemento de obturación en la región de los puntos de interrupción en la dirección de contorno, estando adaptados los contornos del elemento de soporte y del elemento de cubierta a los contornos del soporte del elemento de obturación y de los elementos de obturación, y estando asignado a al menos un extremo de cada pieza del soporte del elemento de obturación un dispositivo de protección contra la torsión.

En la forma de realización preferida de la invención, en la que la obturación está conformada como obturación de cepillo, los elementos de obturación están conformados como cerdas, y el soporte del elemento de obturación está conformado como soporte de cerdas, la disposición de obturación conforme a la invención proporciona una obturación de cepillo autoadaptativa para la obturación de una ranura entre un rotor y un estator que puede compensar variaciones de la ranura que ha de ser obturada sin que ésta esté sometida con ello a un elevado desgaste. El soporte de cerdas ya no está conformado, como en el estado de la técnica, como un anillo cerrado, sino, por el contrario, como anillo interrumpido o en forma en espiral o abierto, cuyos extremos libres se solapan en la dirección de contorno. Adicionalmente, el soporte de cerdas se puede mover libremente en el espacio de alojamiento, limitando un dispositivo de protección contra la torsión la movilidad en la dirección de contorno. El soporte de cerdas conformado como anillo en forma espiral, por un lado, se puede desplazar excéntricamente en el espacio de alojamiento, y por otro lado, el mismo, por medio del crecimiento o decrecimiento de su contorno, puede adaptar el diámetro interior de la obturación de cepillo a un diámetro exterior del rotor.

A través de esto resulta un gran número de ventajas de la disposición de obturación conforme a la invención. En todos los estados de funcionamiento se puede garantizar por medio de la adaptación automática del diámetro interior de la obturación de cepillo una fuga mínima de la ranura que se ha de obturar. Tanto las excentricidades del rotor o estator como las variaciones de la ranura condicionadas por el funcionamiento se pueden compensar de modo automático. Gracias a ello se produce una clara ampliación del espectro de uso de las obturaciones de cepillo, reduciendo al mismo tiempo el desgaste de las mismas.

Según una variante ventajosa de la invención, los extremos que se solapan en la dirección de contorno del soporte de cerdas conformado como anillo en forma espiral están desplazados en la dirección axial y en la dirección radial, estando desplazados los extremos del soporte de cerdas de tal manera que un extremo interior del soporte de cerdas está en contacto con cerdas que están fijadas en el extremo exterior radial del soporte de las cerdas.

Las variantes preferidas de la invención resultan de las reivindicaciones subordinadas y de la siguiente descripción. Un ejemplo de realización de la invención se explica con más detalle a partir del dibujo, sin estar limitado a éste. Se muestra:

Fig. 1 una sección transversal esquematizada a través de un rotor y de un estator, conjuntamente con una disposición de obturación conforme a la invención para la obturación no térmica de una ranura entre el rotor y el estator;

Fig. 2 una sección transversal a través del dispositivo de obturación conforme a la invención a lo largo de la línea de sección II-II según la Fig. 1; y

Fig. 3 una sección transversal a través de la disposición de obturación conforme a la invención a lo largo de la línea de corte III-III según la Fig. 2.

A continuación se describe con mayor detalle la presente invención tomando como referencia las Fig. 1 a 3.

La Fig. 1 muestra una sección transversal esquematizada a través de un rotor 10, así como un estator 11 que rodea al rotor 10 en una dirección de vista axial, estando conformada entre el rotor 10 y el estator 11 una ranura 12 que se ha de obturar. Para la obturación de la ranura 12 entre el rotor 10 y el estator 11 está prevista una obturación de cepillo que está conformada por una carcasa de obturación de cepillo 13, un soporte de cerdas 14, y varias cerdas 15 fijadas en el soporte de cerdas 14. La Fig. 2 muestra la disposición de la Fig. 1 a lo largo de la dirección de corte II-II en la Fig. 1, y con ello en la dirección de vista del contorno; La Fig. 3 muestra la disposición de la Fig. 1 y 2 a lo largo de la línea de corte III-III en la Fig. 2, y con ello en la dirección de vista radial.

Tal y como se puede desprender de la Fig. 2, el soporte de cerdas 14 está posicionado, al menos en una sección, en un espacio de alojamiento 16, sobresaliendo extremos libres de las cerdas 15 del espacio de alojamiento 16, y sobresaliendo para la obturación de la ranura 12 sobre el rotor 10. El espacio de alojamiento 16 está limitado por un elemento de soporte 17, así como por un elemento de cubierta 18, estando dispuesto el elemento de soporte 17 en el lado de menor presión de la ranura 12 que ha de ser obturada. El elemento de soporte 17 también se designa frecuentemente como anillo de soporte, y el elemento de cubierta 18 también se designa frecuentemente como anillo de cubierta.

En el sentido de la presente invención se propone conformar el soporte de cerdas 14 como anillo interrumpido o en forma de espiral, sobresaliendo los extremos 19 y 20 del soporte de cerdas 14 en la dirección de contorno. El soporte de cerdas 14, según esto, está conformado como anillo abierto y elástico que no está fijado en el espacio de alojamiento 16, sino que, por el contrario, se puede mover libremente dentro de ciertos límites.

De este modo, el soporte de cerdas 14 se puede mover en la dirección de contorno, estando limitada la movilidad en la dirección de contorno en el ejemplo de realización mostrado por medio de dos dispositivos de protección contra la torsión 21 y 22. Un primer dispositivo de protección contra la torsión 21 está asignado a un primer extremo 20 del soporte de cerdas 14, limitando este primer dispositivo de protección contra la torsión 21 la movilidad del soporte de cerdas 14 en una dirección de giro principal 23 del rotor 10. Un segundo dispositivo de protección contra la torsión 22, que está asignado al segundo extremo 19 libre del soporte de cerdas 14, limita la movilidad del soporte de cerdas 14 de modo opuesto a la dirección de giro principal 23 del rotor 10. Junto a la movilidad en la dirección de contorno se da además una movilidad en dirección radial. Por medio de la movilidad en la dirección radial se puede adaptar el diámetro interior de modo automático a excentricidades o variaciones de la ranura 12. Además se da, en cierta medida, una movilidad en la dirección axial. Las movilidades en la dirección radial, así como en la dirección axial, se limitan por medio de las medidas geométricas del espacio de alojamiento 16, así como por medio de los contornos del elemento de soporte 17 o del elemento de cubierta 18.

El soporte de cerdas 14 conformado como anillo en forma de espiral conforma en el ejemplo de realización mostrado tanto una espiral axial como una espiral de diámetro. Por espiral axial se ha de entender que los extremos 19 y 20 del soporte de cerdas 14 que se solapan en la dirección de contorno están desplazados entre ellos en la dirección axial. Por espiral de diámetro se ha de entender que los extremos 19 y 20 del soporte de cerdas 14 que se solapan en la dirección de contorno están desplazados en la dirección radial. De la Fig. 2 se puede desprender, por un lado, el desplazamiento axial, así como, por otro lado, el desplazamiento radial de los extremos 19 y 20 del soporte de cerdas 14. En este caso, según la Fig. 2, los extremos 19 y 20 del soporte de cerdas 14 están desplazados entre ellos de tal manera que un extremo 19 interior radial del soporte de cerdas 14 está en contacto con las cerdas 15 que están fijadas en el extremo 20 exterior radial del soporte de cerdas 14. Aunque en el sentido de la presente invención el desplazamiento de los extremos 19 y 20 libres del soporte de cerdas 14 en la dirección axial sería suficiente, se prefiere el desplazamiento adicional de los mismos en la dirección radial para la mejora del efecto de obturación.

Tal y como se ha mencionado ya varias veces, el soporte de cerdas 14 está conformado como anillo en forma espiral con extremos 19 y 20 que se solapan en la dirección de contorno, estando desplazados entre ellos los extremos 19 y 20 al menos en la dirección axial, preferentemente también en la dirección radial. Gracias a ello resulta un contorno en forma espiral o bien en forma de hélice del soporte de cerdas 14, que pueden seguir entonces también las cerdas 15 fijadas en el soporte de cerdas 14. A este contorno en forma espiral o en forma de hélice del soporte de cerdas 14 está adaptado el contorno del elemento de soporte 17 o de un labio de soporte 24 del mismo. La superficie de contacto conformada por medio del elemento de soporte 17 o del labio de soporte 24 para las cerdas 15 de la obturación de cepillo 13, según esto, sigue el contorno en forma espiral o en forma de hélice de la obturación de cepillo, y está conformado, en este caso, a modo de rosca.

Tal y como muestra la Fig. 1, las cerdas 15 de la obturación de cepillo 13 están ajustadas preferentemente respecto a la dirección axial. Las cerdas, sin embargo, también pueden discurrir sin un ajuste de este tipo paralelas a la dirección radial.

La obturación de cepillo conforme a la invención se puede emplear en cualquier sitio en el que entre un rotor y un estator se haya de obturar una ranura radial de un modo no hermético. Se prefiere especialmente el uso de la disposición de obturación conforme a la invención en compresores de tipo dinámico, en particular en turbinas de gas, como motores de aviones, o también en turbinas de vapor. De este modo, con la disposición de obturación conforme a la invención, se puede realizar, por ejemplo, un denominado "Inner Air Seal" o también un denominado "Outer Air Seal" para la obturación de una ranura radial entre los extremos de álabes directores fijos y un rotor o una ranura entre los extremos libres de álabes directores que rotan y una carcasa de un compresor o de una turbina de la turbina de gas.

La obturación no ha de estar conformada como obturación de cepillo. Por el contrario, en el sentido de la presente invención, los elementos de obturación pueden estar conformados, por ejemplo, como tiras o láminas o segmentos. En el caso de las tiras o de las láminas se puede tratar de elementos cortados por láser. Los segmentos pueden solaparse entre ellos en la dirección de contorno. Las tiras o láminas o segmentos, además, también pueden ser parte constituyente integral del soporte del elemento de obturación.

La disposición de obturación conforme a la invención proporciona en todos los estados de funcionamiento una fuga mínima de la ranura que se ha de obturar, ajustándose la disposición de obturación conforme a la invención de modo automático a excentricidades o variaciones condicionadas por el funcionamiento de la ranura que se ha de obturar. La disposición de obturación, según esto, se puede designar como una obturación autoadaptativa. Puesto que la disposición de obturación conforme a la invención, frente las disposiciones de obturación conocidas del estado de la técnica, está caracterizada por medio de un aumento claro de la cobertura permitida respecto al rotor, resulta un campo de aplicación ampliamente aumentado para obturaciones de cepillo. Adicionalmente se minimiza el desgaste de las cerdas. Puesto que el diámetro interior de la obturación de cepillo se adapta de modo automático, éste mismo se puede fabricar con una mayor tolerancia, gracias a lo cual se reducen de un modo considerable los costes de fabricación.

Claims (16)

1. Disposición de obturación, en particular para un compresor de tipo dinámico, para la obturación no hermética de una ranura (12) entre un rotor (10) y un estator (11), con una obturación que dispone de varios elementos de obturación que están fijados a un soporte del elemento de obturación, estando dispuesto el soporte del elemento de obturación, al menos en una sección, en un espacio de alojamiento (16) que está limitado por un elemento de soporte (17) y un elemento de cubierta (18), caracterizada porque el soporte del elemento de obturación está conformado como anillo interrumpido una o varias veces, solapándose los extremos (19, 20) libres del soporte del elemento de obturación en la región de las posiciones de interrupción en la dirección de contorno, estando adaptados los contornos del elemento de soporte (17) y del elemento de cubierta (18) a los contorno del soporte del elemento de obturación y de los elementos de obturación (15), y estando asignado al menos a un extremo (19, 20) de cada pieza del soporte del elemento de obturación un dispositivo de protección contra la torsión (21, 22).

2. Disposición de obturación según la reivindicación 1, caracterizada porque la obturación está conformada como obturación de cepillo, los elementos de obturación como cerdas (15) y el soporte del elemento de obturación como soporte de cerdas (14).

3. Disposición de obturación según la reivindicación 2, caracterizada porque el soporte de cerdas (14) está conformado como anillo elástico que está alojado de modo móvil en el espacio de alojamiento (16).

4. Disposición de obturación según la reivindicación 3, caracterizada porque el soporte de las cerdas (14) se puede mover en la dirección de contorno, limitando el dispositivo de protección contra la torsión (20, 21), o cada uno de ellos, la movilidad en la dirección de contorno.

5. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque a un primer extremo (20) del soporte de cerdas (14) está asignado un primer dispositivo de protección contra la torsión (21) que limita la movilidad en una dirección de giro principal del rotor (10).

6. Disposición de obturación según la reivindicación 5, caracterizada porque a un segundo extremo (19) del soporte de cerdas (14) está asignado un segundo dispositivo de protección contra la torsión (22) que limita la movilidad en la dirección opuesta a la dirección de giro principal del rotor.

7. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 2 a 6, caracterizada porque los extremos (19, 20) que se solapan en la dirección de contorno del soporte de cerdas (14) conformado como anillo en forma espiral están desplazados en la dirección axial.

8. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada porque los extremos (19, 20) que se solapan en la dirección de contorno del soporte de cerdas (14) conformado como anillo en forma espiral están desplazados en la dirección axial y en la dirección radial.

9. Disposición de obturación según la reivindicación 8, caracterizado porque los extremos (19, 20) del soporte de cerdas (14) están desplazados de tal manera que un extremo (19) interior radial del soporte de cerdas (14) está en contacto con cerdas (15) que están fijadas en el extremo (20) exterior radialmente del soporte de cerdas (14).

10. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 2 a 9, caracterizada porque el contorno del elemento de soporte (17) está adaptado al contorno del soporte de cerdas (14) conformado como anillo en forma de espiral de tal manera que le contorno del elemento de soporte (14) sigue a modo de rosca el contorno en forma espiral o en forma de hélice del soporte de cerdas (14).

11. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 2 a 10, caracterizado porque las cerdas (15) de la obturación de cepillo están dispuestas paralelas a la dirección radial, y están ajustadas respecto a la dirección radial.

12. Disposición de obturación según la reivindicación 1, caracterizada porque los elementos de obturación están conformados como tiras o láminas o segmentos.

13. Disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada porque el elemento de soporte y el elemento de cubierta están realizados como contornos en el estator.

14. Compresor de tipo dinámico con al menos una disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Turbina de gas, en particular motor de avión, con al menos una disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 1 a 13.

16. Turbina de vapor con al menos una disposición de obturación según una o varias de las reivindicaciones 1 a 13.