ES2317051T3 - Disposicion de estanqueidad en un compresor. - Google Patents
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Abstract
Un compresor (10), que comprende: Un eje (26) rotatorio un volante (30) de compresor montado sobre el eje (26), teniendo el eje una pluralidad de álabes (32) fijos al mismo; una carcasa (22) de cojinete que define un espacio interior; un cojinete (24) montado en la carcasa (22) de cojinete y que soporta rotablemente el eje (26); un alojamiento (12) de compresor que rodea el volante (30), definiendo el alojamiento del compresor una vía de flujo de gas principal, teniendo el alojamiento del compresor una pared fija inmediatamente contigua a, y espaciada de, una superficie de volante (30) del compresor, extendiéndose dicha superficie desde un lugar contiguo a la vía de flujo de gas principal genéricamente de manera radial e interiormente hacia la carcasa (22) del cojinete; un conducto (14) de entrada a través del cual se conduce aire al interior del compresor; el alojamiento (12) del compresor y la carcasa (22) del cojinete definen una vía de fuga desde la vía de flujo de gas principal al interior de la carcasa del cojinete, estando definida al menos parte de la vía de fuga entre la superficie del volante del compresor y la pared fija del alojamiento del compresor; y un dispositivo de estanqueidad dispuesto dentro de la vía de fuga, y un conducto (46) de suministro de aire presurizado que conduce a través del alojamiento del compresor al interior de la vía de fuga; caracterizado porque: el dispositivo de estanqueidad comprende (a) un elemento (42) de resistencia hidráulica dispuesto entre la superficie del volante del compresor y la pared fija del alojamiento del compresor, (b) un conjunto de álabes (60) auxiliares montados en la superficie del volante del compresor y operable para extraer una parte del aire presurizado radial y exteriormente por medio de los álabes auxiliares; un conducto (36) de suministro de combustible está instalado para introducir combustible corriente arriba del compresor, mezclándose el combustible y el aire en el conducto (14) de entrada, de manera tal que el compresor (10) comprime una mezcla de aire y combustible; y se suministra una fuente de aire (48) presurizado que no contiene combustible, estando dispuesta dicha fuente para introducir el aire presurizado sin combustible a través del conducto (46) de suministro de aire presurizado (46) en la vía de fuga, de manera tal que el aire presurizado sin combustible previene que el fluido de la vía de flujo de gas principal pase más allá del dispositivo impermeabilizante (42, 60) y al interior de la carcasa (22) del cojinete. en el que cuando el dispositivo de estanqueidad comprende solamente el elemento (42) de resistencia hidráulica, la fuente de aire (48) presurizado tiene una presión que supera la de la vía de flujo de gas principal.
Description
Disposición de estanqueidad en un compresor.
La invención se refiere a compresores de aire y,
concretamente, a sistemas de estanqueidad de este tipo de
compresores.
Las cámaras de combustión catalíticas están
comenzando a ser utilizadas en sistemas de generación de energía de
microturbinas recuperadas. Un sistema de generación de energía de
microturbina deriva energía mecánica para impulsar el generador
eléctrico de un motor de turbina de gas pequeña conocido
generalmente como microturbina. Generalmente, el motor incluye, al
menos, una turbina que recibe gases de combustión calientes de una
cámara de combustión y expande los gases calientes para hacer rotar
la turbina. La turbina impulsa al menos un volante de compresor que
rota dentro de un alojamiento de compresor y sostiene álabes que
comprimen el fluido energético que pasa a través de las mismas. En
un motor de turbina de gas recuperado en el que la cámara de
combustión es una cámara de combustión catalítica, típicamente se
alimenta el compresor con una mezcla gaseosa de aire y combustible
como fluido energético, o el compresor se alimenta con aire y
combustible separados que, posteriormente, se mezclan después de la
compresión. De esta manera, el compresor comprime el aire y el
combustible gaseoso que, posteriormente, alimentan, en forma de
mezcla de aire y combustible, la cámara de combustión catalítica,
donde se produce la
combustión de la mezcla. Esta disposición permite la eliminación de un compresor de gas combustible separados.
combustión de la mezcla. Esta disposición permite la eliminación de un compresor de gas combustible separados.
Por desgracia, la compresión del combustible en
el compresor del motor también da lugar a una probabilidad de fuga
de combustible al entorno circundante. En todo compresor, una vez
que el fluido energético se ha comprimido a una presión superior,
el fluido tratará de fluir hacia las regiones de presión inferior
por todas las vías posibles, que incluyen vías de fuga que
finalmente conducen al aire ambiental que rodea el motor. Dichas
vías de fuga existen generalmente, por ejemplo, en las interfaces
entre partes fijas y rotatorias del compresor. Por ejemplo, en un
compresor radial, como los utilizados normalmente en microturbinas,
existe una vía de fuga entre el volante del compresor y la pared
fija del alojamiento del compresor; esta vía conduce a la carcasa
del cojinete del compresor. Para reducir la cantidad de fuga al
interior de la carcasa del cojinete, es normal incluir una o más
juntas de estanqueidad entre el volante rotatorio del compresor y el
alojamiento fijo. Las juntas de estanqueidad tienen una gran
resistencia hidráulica y, por lo tanto, previenen que el fluido
fluya a su través al interior de la carcasa del cojinete.
Típicamente, las juntas de estanqueidad incluyen juntas de
laberinto.
Típicamente, la cantidad de fuga de un compresor
es relativamente pequeña, por ejemplo, menor que el uno por ciento
de la masa total del flujo a través del compresor y, por lo tanto,
no deteriora sustancialmente la eficacia. Además, no todos los
efectos de las fugas son negativos. Por ejemplo, un efecto positivo
de las fugas es la prevención de la migración de aceite de la
carcasa del cojinete a la vía de flujo de gas principal del
compresor.
Sin embargo, cuando el fluido energético del
compresor es aire y combustible gaseoso, incluso una cantidad de
fuga muy pequeña puede dar lugar a la emisión al entorno
circundante de hidrocarburos no quemados. En una microturbina
recuperada típica con cámara de combustión catalítica que quema gas
natural (por ejemplo, véanse las patentes de EE. UU. números
4.754.607 y 6.141.953), la relación aire/combustible es próxima a
100 a 1, lo que significa que la concentración del combustible del
el fluido energético del compresor puede estar próxima a 14.000
partes por millón en volumen (ppmvd). Si se produce una fuga de
solamente el 0,5% a través de las juntas de estanqueidad del
compresor, en ese caso la emisión de hidrocarburos no quemados de
esta fuente solamente sería de 70 partes por millón (ppmvd), que
supera los límites legales aceptables en muchas áreas. En algunas
áreas, tales como el Distrito de Gestión de la Calidad del Aire de
la Costa Sur de los Estados Unidos, y el Distrito de Calidad del
Aire de Tokio y Yokohama, Japón, el límite máximo aceptable puede
ser tan bajo como 10 partes por millón (ppmvd).
Por lo tanto, existe la necesidad de una
disposición de las juntas de estanqueidad de un compresor que pueda
asegurar que virtualmente no haya escapes de combustible al entorno
circundante.
El documento SU 848 914 A revela un compresor de
aire en el que está dispuesta una junta 12 de estanqueidad de
laberinto en una vía que se extiende entre la vía de flujo de gas
principal y la carcasa del cojinete. En la entrada del compresor
está dispuesto un tubo 21 de pitot para captar aire de entrada y el
aire es introducido a través de un conducto 22 en la cavidad 8
situada entre la junta 12 de laberinto y la carcasa del cojinete.
El objetivo es reducir las fuerzas axiales ejercidas sobre el
volante del compresor.
El documento EP 0 518 027 A revela un compresor
centrífugo en el que están dispuestas un par de juntas de laberinto
en la parte posterior del impulsor, y se suministra aire frío a una
presión que supera la de la salida del impulsor a través de un
conducto 9 al interior de una cavidad 6 dispuesta entre las dos
juntas. El objetivo es refrigerar la parte posterior del
impulsor.
El documento SU 1 008 491 A revela un compresor
centrífugo que tiene un par de juntas de estanqueidad dispuestas en
la parte posterior del impulsor de manera tal que se define una
cavidad 5 entre las juntas. Un conducto 9 purga algo del fluido de
la descarga del compresor y lo introduce en la cavidad 5. Algo del
fluido fluye a través del interior de una de las juntas al interior
de un espacio 11 contiguo al cojinete.
El documento US 6 190 123 B I revela un
compresor centrífugo que no tiene elementos impermeabilizantes en
el espacio 20 comprendido entre la parte posterior del impulsor y la
carcasa del compresor. El aire de refrigeración se suministra a
través de un conducto 24 en la separación y fluye radialmente
interiormente a lo largo del espacio hacia un conducto 26 de
descarga a través del cual se elimina la mayor parte del aire de
refrigeración del espacio.
El documento US 4 472 107 A revela un
compresor en el que está dispuesto una junta de laberinto en una
parte posterior del impulsor que separa un espacio 45 radialmente
exterior de un espacio radialmente interior o cámara 52 de
compensación que conduce al interior del área del cojinete del
compresor. La cámara 52 está conectada por un conducto 53 y una
válvula 55 y el conducto 58 al difusor 39 de descarga del compresor.
No se produce ningún flujo radialmente hacia fuera de fluido a
través del espacio 45.
El documento JP 8 014056 A revela un compresor
centrífugo que tiene una junta 28 de laberinto radialmente exterior
y una junta 29 de laberinto radialmente interior, con un espacio 38
dispuesto entre las juntas. Un conducto 23 conduce al interior del
espacio 38.
El documento US 6 238 179 B1 revela un compresor
centrífugo que tiene un dispositivo de refrigeración para
refrigerar el impulsor. En la parte posterior del impulsor está
dispuesta una junta 23 de laberinto en una región 20 aparte que
separa un espacio 22 radialmente exterior de un espacio 24
radialmente interior. Se introduce un medio 31 refrigerante (por
ejemplo, aire de la salida de un radiador de motor) a través de un
dispositivo 27 de suministro en la región 20 de separación. El
medio 31 refrigerante fluye solamente radialmente interiormente a
través de la región 20 de separación. De esta manera, el medio 31 y
la fuga de gas de la descarga del compresor a través de la junta 23
fluye al interior del espacio 24 radialmente interior, y de allí
puede fluir a través de un dispositivo 32 de descarga al interior
del área del cojinete del compresor.
El documento US 3 650 634 A revela un compresor
de refrigeración centrífuga en el cual está formado un espacio 36
anular en una parte posterior del impulsor entre un par de juntas 34
y 35 de laberinto espaciadas entre sí. El espacio 36 se presuriza
mediante medios 75, 77 de bomba formados en el eje 17 rotatorio para
prevenir el paso de aceite del área del cojinete a través de la
junta 35 al interior del espacio 36.
La presente invención está dirigida a las
necesidades anteriores y logra otras ventajas, presentando una
disposición de juntas de estanqueidad de un compresor y un
procedimiento que utiliza un suministro de aire presurizado limpio
(es decir, que no contiene combustible) de una fuente adecuada para
prevenir que fluya combustible de la vía de flujo de gas principal
al interior del área del cojinete del compresor. La invención se
refiere a un compresor como el definido en la reivindicación 1 y a
un procedimiento de estanqueidad de un compresor como el definido
en la reivindicación 11.
En una realización de la invención, un
compresor, como el definido en la reivindicación 1, incluye una
disposición de estanqueidad situada en una parte de una vía de fuga
definida entre una superficie de un volante rotatorio del compresor
y una pared fija de un alojamiento del compresor. La disposición de
estanqueidad comprende un elemento de reasistencia hidráulica
dispuesto en una vía de fuga entre la superficie del volante del
compresor y la pared fija del alojamiento del compresor, y un
conducto de suministro de aire presurizado que lo conduce a través
del alojamiento del compresor al interior de la vía de fuga a un
lugar situado entre el elemento de resistencia hidráulica y una
carcasa del cojinete del compresor. La vía de fuga de esta
realización carece de elemento alguno de resistencia hidráulica
entre el conducto de suministro de aire y la vía de fuga y el área
del cojinete. El aire presurizado limpio se suministra a través de
un conducto de suministro al interior de la vía de fuga a una
presión superior a la de la vía de flujo de gas principal.
Consecuentemente, una parte del aire presurizado fluirá al interior
de la carcasa del cojinete. El resto del aire fluirá hasta después
del elemento de resistencia hidráulica al interior de la vía de
flujo de gas principal, con lo que se previene que fluya aire y
combustible a través de la vía de fuga al interior de la carcasa del
cojinete. De esta manera, se mantienen los efectos positivos de las
fugas de aire al interior del área del cojinete, mientras que se
previene el flujo de combustible fugado al interior del área del
cojinete. Cuando se emplean cojinetes lubricados por aceite, fluirá
aire de refrigeración limpio al interior del área del cojinete en
vez de aire caliente de la descarga del compresor como en las
disposiciones de estanqueidad de la técnica anterior. Este aire
desempañará la misma función de prevenir que fluya aceite al
interior de la vía de fuga situada detrás del volante del
compresor, pero sin oxidar el aceite, con lo que se elimina una de
las causas principales de envejecimiento y deterioro. Esto hará
decrecer el consumo de aceite e incrementar la vida útil del aceite.
En sistemas que emplean cojinetes de aire abastecidos con aire de
apoyo presurizado de una fuente externa, el aire que fluye de los
cojinetes al interior de la vía de fuga puede minimizar o eliminar
la necesidad del suministro de aire limpio aparte. En el caso de
los cojinetes magnéticos, los cojinetes pueden estar diseñados de
manera que el aire de refrigeración que fluye de los cojinetes
después de refrigerarlos fluya al interior de la vía de fuga y
reducir o eliminar así la necesidad de un suministro de aire aparte.
Alternativamente, el suministro de aire aparte al interior de la
vía de fuga se puede utilizar para refrigerar los cojinetes
magnéticos.
En otra realización de la invención, la
disposición de estanqueidad del compresor definido en la
reivindicación 1 comprende un elemento de resistencia hidráulica
dispuesto entre la superficie del volante del compresor y la pared
fija del alojamiento, varios álabes auxiliares montados sobre la
superficie del volante del compresor y espaciados radialmente hacia
fuera del elemento de resistencia hidráulica de manera tal que se
define una cavidad entre el elemento de resistencia hidráulica y
los álabes auxiliares, y un conducto de suministro de aire
presurizado que conduce a través del alojamiento del compresor al
interior de la cavidad. En esta realización, se introduce aire
presurizado limpio en la cavidad de la disposición de estanqueidad a
una presión menor que la de la vía de flujo de gas principal. Un
aparte de este aire fluirá hasta pasado el elemento de resistencia
hidráulica al interior de la carcasa del cojinete, como en la
realización descrita anteriormente. El resto del aire presurizado
se comprimirá más mediante los álabes auxiliares y se bombeará al
interior de la vía de flujo de gas principal. Los álabes auxiliares
previenen el flujo en sentido contrario y, de esta manera,
previenen la fuga de aire y fuel gaseoso al interior de la carcasa
del cojinete. Esta realización es aplicable a los cojinetes
lubricados con aceite, de aire o magnéticos.
En otra realización, la disposición de
estanqueidad del compresor definido en la reivindicación 1 comprende
primero, segundo y tercer elementos de resistencia hidráulica
dispuestos entre la superficie del volante del compresor y la pared
fija del alojamiento del compresor, el segundo elemento de
resistencia hidráulica espaciado radialmente hacia fuera de manera
tal que se define una primera cavidad entre los mismos, el tercer
elemento de resistencia hidráulica espaciado radialmente hacia
fuera del segundo del segundo elemento de resistencia hidráulica
espaciado radialmente hacia fuera del segundo elemento de
resistencia hidráulica de manera tal que se define una segunda
cavidad entre los mismos, un conducto de suministro de aire
presurizado que conduce a través del alojamiento del compresor al
interior de la primera cavidad, y un conducto de recirculación que
conduce desde la segunda cavidad de nuevo hacia la entrada del
compresor para recircular cualquier aire y combustible gaseoso
fugado después del tercer elemento de resistencia hidráulica de
vuelta a la entrada del compresor. En esta realización, el aire
presurizado limpio se puede suministrar a una presión menor que la
de la vía de flujo de gas principal. Una parte fluye al interior de
la carcasa del cojinete como en las realizaciones anteriores. El
resto del aire fluye al interior de la segunda cavidad. Debido a que
la presión de la segunda cavidad es menor que la de la vía de flujo
de gas principal, fluirán aire y combustible gaseoso hasta pasado
el tercer elemento de resistencia hidráulica al interior de la
segunda cavidad. El aire y el combustible de la segunda cavidad se
evacuan a través del conducto de recirculación y son devueltos a la
entrada del compresor.
En las diferentes realizaciones, los elementos
de resistencia hidráulica comprenden preferiblemente juntas de
laberinto, pero la invención no se limita a cualquier estructura
concreta para lograr una gran resistencia hidráulica y prevenir
fugas.
Así que, habiéndose descrito la invención en
términos generales, ahora se va a hacer referencia a los dibujos
adjuntos, que no están dibujados necesariamente a escala y en los
que:
La figura 1 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor de acuerdo con la primera realización
de la invención;
La figura 2 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor de acuerdo con una segunda realización
de la invención;
La figura 3 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor de acuerdo con una tercera realización
de la invención;
La figura 4 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor de acuerdo con una cuarta realización
de la invención; y
La figura 5 es una vista en sección transversal
esquemática de un compresor de acuerdo con una quinta realización
de la invención.
En lo que sigue se va a describir la presente
invención más detalladamente con referencia a los dibujos adjuntos,
en los que se muestran algunas realizaciones de la invención, pero
no todas. Por supuesto, estas invenciones se pueden realizar de muy
diferentes formas y no se debe considerar que se limita a las
realizaciones expuestas en la presente, por el contrario, estas
realizaciones se presentan para que esta revelación satisfaga los
requisitos legales aplicables. Los numerales similares se refieren a
elementos similares en toda la descripción.
La figura 1 representa un compresor 10 de
acuerdo con una primera realización de la invención. El compresor
10 incluye un alojamiento 12 del compresor que define un conducto 14
de entrada generalmente tubular que se extiende en general
axialmente. El alojamiento 12 también define una pared 16 exterior
que está unida a un extremo corriente abajo del conducto 14 de
entrada y pasa de extenderse axialmente a extenderse radialmente;
la pared 16 exterior en su extremo corriente abajo se une con un
conducto 18 de descarga generalmente anular que rodea el compresor.
Un extremo posterior del alojamiento del compresor incluye una pared
20 fija que se extiende radialmente hacia dentro desde el conducto
de descarga y está enfrente de la pared 16. El extremo radialmente
interior de la pared 20 fija se une con una carcasa 22 del cojinete
del compresor.
La carcasa del cojinete 22 genéricamente tubular
aloja al menos un cojinete 24 rotatorio para soportar un eje 26
rotatorio que se extiende axialmente a través de la carcasa del
cojinete. Se suministra aceite lubricante al cojinete a través de
al menos un conducto 28 de suministro que conduce al interior de la
carcasa del cojinete.
El compresor incluye un volante 30 del compresor
formado generalmente como un disco. El volante está montado sobre
un extremo anterior del eje 26. Una pluralidad de álabes 32
espaciados circunferencialmente fijos al volante. Al rotar el
volante, los álabes extraen aire a través del conducto 14 de entrada
(como se indica con la flecha 34). El compresor también incluye un
conducto 36 de suministro de combustible que se extiende al
interior del conducto 14 de suministro de combustible (véase la
flecha 38) a la corriente de aire. Consecuentemente, una mezcla de
aire y combustible se introduce (o se introducen separados los
flujos de aire y combustible) en la fila de álabes 32 del compresor
y es comprimida por los álabes y descargada en el conducto 18 de
descarga. La mezcla de combustible y aire también tiene lugar a
medida que el flujo prosigue a través de los pasadizos que conducen
a y desde los álabes del compresor. Alternativamente, es posible
introducir el aire y el combustible en un mezclador (no se muestra)
situado corriente arriba del volante del compresor de manera que el
combustible y el aire se mezclan sustancialmente antes de entrar en
la fila de álabes del compresor.
El compresor incluye una disposición de
estanqueidad entre la superficie orientada hacia atrás del volante
30 del compresor y la pared 20 fija del alojamiento del compresor.
El espacio entre el volante y la pares fija representa una vía de
fuga a través del cual podrían producirse fugas de aire y
combustible gaseoso a alta presión. Como se indicó anteriormente,
se debe prevenir la fuga de combustible al interior de la carcasa
del cojinete. La disposición de estanqueidad incluye un elemento o
junta 42 de resistencia hidráulica separado radialmente de la
carcasa del cojinete. De esta manera, una parte 44 de la vía de fuga
está definida entre el elemento 42 de resistencia hidráulica y la
carcasa del cojinete. La parte 44 no tiene elementos de resistencia
hidráulica. El elemento 42 de resistencia hidráulica se muestra como
una junta de laberinto aunque, en su lugar, se pueden usar otros
tipos de juntas para aportar una gran resistencia hidráulica (por
ejemplo, juntas de escobillas). Al menos un conducto 46 de
suministro de aire presurizado se extiende a través del alojamiento
del compresor al interior de la parte 44 de la vía de fuga.
En operación, se suministra aire presurizado
(como indica la flecha 48) por medio del conducto 46 de suministro
al interior de la parte 44 de la vía. El aire está "limpio", es
decir, no tiene combustible. El aire presurizado se suministra a
una presión superior a la de la vía de flujo de gas principal del
compresor (es decir, la presión la presión del lado radialmente
hacia fuera de la junta de estanqueidad 42). Consecuentemente, una
parte 50 del aire presurizado fluirá hacia dentro a lo largo de la
parte 44 de la vía al interior de la carcasa del cojinete. Este
aire es evacuado de la carcasa del cojinete junto con el aceite que
ya ha lubricado el cojinete, a través de un conducto 52 de drenaje.
A continuación, el aire y el aceite pueden ser tratados en un
separador de aire-aceite o similar, de manera que el
aire que ha sido limpio de vapores de aceite pueda ser descargado a
la atmósfera, pudiendo recuperarse el aceite al mismo tiempo. El
resto 54 del aire presurizado suministrado a la parte 44 de la vía
fluirá hacia fuera pasada la junta 42 al interior de la vía de flujo
de gas principal del compresor, y finalmente hacia dentro del
conducto 18 de descarga. De esta manera, la disposición de juntas
de estanqueidad elimina de manera efectiva virtualmente toda
posibilidad de fuga de combustible al interior de la carcasa del
cojinete. Las proporciones relativas del aire que fluye al interior
del área del cojinete y fuera de la vía de flujo de gas principal se
pueden controlar diseñando procedimientos que están dentro de la
capacidad normal de los expertos en la técnica.
El aire presurizado necesario para la
disposición de estanqueidad se puede suministrar de varias fuentes
(no se muestran). Por ejemplo, un compresor de aire aparte para
suministrar aire presurizado se puede impulsar mecánicamente por
medio de un preparativo de derivación acoplado al propio motor de la
turbina, o impulsar por medio de un motor eléctrico.
Alternativamente, se puede utilizar un compresor dinámico que
utiliza la energía del fluido que hace funcionar el compresor. La
fuente concreta de aire presurizado para la disposición de juntas
de estanqueidad no es crítica para la invención, y la invención no
se limita a ningún tipo de fuente concreto.
En la figura 2 se muestra una segunda
realización de la invención. El compresor 110 de la figura 2 es
sustancialmente similar al compresor 10 de la figura 1, excepto lo
que se indica a continuación. La disposición de juntas de
estanqueidad del compresor 110 incluye un conjunto de álabes 60
auxiliares montados en la superficie posterior del volante 30 del
compresor, y puede incluir también un elemento o junta 40 de
resistencia hidráulica como se muestra. Los álabes auxiliares están
espaciados radialmente hacia fuera de la junta 40 de manera tal que
se define una cavidad o parte 40 de la vía de fuga entre los álabes
y la junta de estanqueidad. Un conducto 46 de suministro de aire
presurizado conduce al interior de la parte 44 de la vía de fuga.
Los álabes auxiliares están configurados para extraer aire
radialmente hacia fuera por medio de los álabes y del aire
comprimido a una presión superior. Consecuentemente, en esta
realización, el aire 48 presurizado suministrado a través del
conducto 46 de suministro se puede suministrar a una presión menor
que la de la vía de flujo de gas principal del compresor, pero
mayor que le presión de la carcasa del cojinete.
En operación, una parte 50 del aire presurizado
suministrado a la parte 44 de la vía fluirá radialmente hacia
fuera más allá de la junta 40, si está presente, al interior de la
carcasa del cojinete. El resto del aire será extraído por medio de
los álabes 60 auxiliares y comprimido a una presión mayor que la de
la vía de flujo de gas principal, de manera que el aire entrará en
la vía de flujo de gas principal y se unirá al flujo principal.
Así, los álabes previenen que aire y combustible gaseoso de la vía
de lujo de gas principal migren más allá de los álabes al interior
de la carcasa del cojinete. La junta 40 es útil pero no esencial, y
se puede omitir mediante un diseño adecuado de los pasadizos del
flujo en el área del cojinete y en la vía de fuga.
En la figura 3 se muestra una tercera
realización de la invención. El compresor 210 de la figura 3 es
similar generalmente al compresor 10 descrito anteriormente,
excepto en lo que se indica a continuación. En esta realización, la
disposición de las juntas de estanqueidad del compresor emplea
preferiblemente tres juntas de estanqueidad espaciadas. Una primera
junta 40 interior y una segunda junta 42 están dispuestas con una
parte o cavidad 44 de la vía entre las mismas. Un conducto 46 de
suministro de aire presurizado conduce a esta cavidad 44 para
suministrar aire 48 presurizado limpio a la cavidad. Una junta 70
tercera o exterior está espaciada radialmente hacia fuera de la
junta de estanqueidad 42 de manera tal que se define una cavidad 72
entre estas juntas. Un conducto 74 de recirculación se extiende
desde la cavidad 72 de vuelta al conducto 14 de entrada del
compresor. Se puede emplear la primera junta de estanqueidad 40 o
interior, pero como se indicó anteriormente no es esencial.
En operación, el aire 48 presurizado limpio se
introduce en la cavidad 44 a una presión mayor que la de la carcasa
22 del cojinete, pero menor que la de la vía de flujo de gas
principal del compresor. Una parte 50 del aire fluirá
interiormente más allá de la junta 40 interior (si está presente) al
interior de la carcasa del cojinete. El resto del aire 76 fluirá
exteriormente más allá de la junta 42 intermedia al interior de la
cavidad 72. Dado que la presión en la cavidad 72 es menor que la de
la vía de flujo de gas principal, algo de aire y combustible
gaseoso fluirá desde la vía de flujo de gas principal interiormente
más allá de la junta 70 exterior al interior de la cavidad 72, como
indica la flecha 78. Sin embargo, en la cavidad 72 el aire y el
combustible gaseoso están a una presión aún mayor que la del
conducto 14 de entrada y, por lo tanto, este aire y este
combustible fluirán inversamente a través del conducto 74 de
recirculación al interior del conducto 14 de entrada. De esta
manera, se previene la fuga de combustible al interior de la carcasa
del cojinete.
En las diferentes realizaciones, el aire
presurizado que fluye hacia el interior de la carcasa está
preferiblemente aire limpio de cualquier vapor de combustible (por
ejemplo, limpio en un separador de aire-aceite, como
es bien sabido para los expertos en la técnica) antes su descarga a
la atmósfera.
Como se indicó, la invención es aplicable
también a compresores que tienen cojinetes de aire o magnéticos.
Las figuras 4 y 5 ilustran dos de dichas realizaciones. La figura 4
representa un compresor 110' similar generalmente al de la figura
2, pero con un cojinete 24' de aire o magnético (o combinación de
aire/magnético) en vez de un cojinete lubricado con aceite. Además,
en esta realización se omiten los elementos de resistencia
hidráulica, aunque se pueden incluir si se desea. La disposición de
estanqueidad comprende un conjunto de álabes 60 auxiliares montados
en la superficie posterior del volante 30 del compresor. Una parte
44 de la vía de fuga se extiende radialmente interiormente desde
los álabes al interior de la carcasa del cojinete; esta parte 44 de
la vía carece de elementos de resistencia hidráulica. Un conducto
46 de suministro de aire presurizado conduce hacia el interior de
la parte 44 de la vía de fuga. Los álabes auxiliares están
configurados para extraer aire radialmente hacia fuera a través de
los álabes y comprime el aire a una presión mayor. Consecuentemente,
en esta realización, el aire 48 presurizado suministrado a través
del conducto 46 de suministro se puede suministrar a una presión
menor que la de la vía de flujo de gas principal del compresor, pero
mayor que la de la carcasa del cojinete. En operación, una parte 50
del aire presurizado suministrado a la parte 40 de la vía fluirá
radialmente interiormente al interior de la carcasa del cojinete.
El resto del aire será extraído por medio de los álabes 60
auxiliares y comprimido a una presión mayor que la de la vía de
flujo de gas principal, de manera que el aire entrará en la vía de
flujo de gas principal y se unirá al flujo principal. Así, los
álabes auxiliares previenen que migren aire y combustible gaseoso
más allá de los álabes al interior de la carcasa del cojinete.
La figura 5 muestra un compresor 210' similar
generalmente al de la figura 3, pero con un cojinete 24'de aire o
magnético (o combinación de aire/magnético) en vez de un cojinete
lubricado con aceite. En esta realización se omite el elemento de
resistencia hidráulica interior, aunque se puede incluir si se
desea. De esta manera, la disposición de juntas de estanqueidad
comprende elementos o juntas 42 y 70 de resistencia hidráulica que
están separadas radialmente para definir una cavidad 72 entre las
mismas. La parte 44 de la vía de fuga que se extiende radialmente
interiormente desde la junta de estanqueidad 42 interior al interior
de la carcasa del cojinete carece de elementos de resistencia
hidráulica. El conducto 46 de suministro de aire presurizado
conduce a esta parte 44 de la vía. Un conducto 74 de recirculación
se extiende desde la cavidad 72 inversamente al conducto 14 de
entrada del compresor. En operación, se introduce aire 48
presurizado limpio en la parte 44 de la vía a una presión mayor que
la de la carcasa 22 del cojinete, pero menor que la de la vía de
flujo de gas principal del compresor. Un aparte 50 del aire fluirá
interiormente a lo largo de la parte 44 de la vía al interior de la
carcasa del cojinete. El resto del aire 76 fluirá exteriormente más
allá de la junta 42 al interior de la cavidad 72. Dado que la
presión en la cavidad 72 es menor que en la vía de flujo de gas
principal, algo de aire y combustible gaseoso fluirá desde la vía de
flujo de gas principal interiormente más allá de la junta 70
exterior al interior de la cavidad 72, como indica la flecha 78. Sin
embargo, en la cavidad 72, el aire y el combustible están a una
presión aún mayor que la del conducto 14 de entrada y, por lo
tanto, este aire y este combustible fluirán a través del conducto 74
de recirculación inversamente al interior del conducto 14 de
entrada. De esta manera, se previene la fuga de combustible al
interior de la carcasa del cojinete.
En el caso de los cojinetes de aire, hay dos
tipos básicos: aerodinámicos, también conocidos como cojinetes
dinámicos o activos que son autopresurizados (incluso los cojinetes
de chapa fina), y aerostáticos, también conocidos como cojinetes
estáticos, que se presurizan externamente. De acuerdo con la
invención, el aire de cualquier cojinete dinámico o estático puede
fluir al interior de la vía de fuga del compresor y, así, reducir o
eliminar la necesidad de una fuente de aire aparte a fines de
impermeabilización. Alternativamente, en los cojinetes estáticos,
el aire suministrado a la vía de fuga a fines de impermeabilización
puede fluir hacia el cojinete de aire y, de esta manera, reducir o
eliminar la necesidad de suministro de aire al cojinete.
En el caso de los cojinetes de aire dinámicos,
en un motor convencional, cuando el motor está arrancando, la carga
es absorbida por las chapas finas hasta que la presión dinámica de
la rotación del eje asume la carga. Esto conduce a la deformación y
desgaste de las chapas finas, lo que puede limitar
significativamente la vida del cojinete. De acuerdo con la
invención, a velocidades de rotación bajas durante el paro o
arranque, una parte del aire impermeabilizante suministrado a la
vía de fuga puede ser conducido al cojinete a una presión y en una
cantidad suficientes para reducir o prevenir el desgaste de las
chapas finas. Dado que la presión dinámica en el cojinete se
incremente durante el arranque, el flujo hacia el cojinete desde la
vía de fuga se reducirá progresivamente; a altas velocidades, el
flujo neto en la vía de fuga podría ser bien al interior del
cojinete o fuera del cojinete. Durante un paro previsto o de
emergencia, el flujo de aire desde la vía de fuga podría presurizar
el cojinete de aire.
La invención logra también varias ventajas en el
caso de los cojinetes lubricados con aceite. La fuga de aire limpio
al interior de la carcasa del cojinete previene que el aire migre al
interior de la vía de flujo de gas principal. El resto del aire
presurizado limpio fluye exteriormente para prevenir fugas de aire y
de combustible gaseoso al interior del área del cojinete. Con todos
los tipos de cojinete, la invención elimina virtualmente toda
posibilidad de fuga de combustible al interior del área del cojinete
y de escape al ambiente a través de esta ruta. De esta manera, la
invención hace posible una reducción sustancial de emisiones de
hidrocarburos no quemados, de manera que los sistemas de
microturbina que utilicen compresores de
aire-combustible pueden ser utilizados
potencialmente incluso en los distritos de gestión de la calidad del
aire más estrictos.
Para un experto en la técnica será evidente que
muchas modificaciones y otras realizaciones de estas invenciones
pertenecen a, y se benefician de, las enseñanzas presentadas en las
descripciones anteriores y en los dibujos asociados. Por lo tanto,
se debe entender que las invenciones no se limitan a las
realizaciones concretas reveladas y que las modificaciones y otras
realizaciones están pensadas para su inclusión dentro del ámbito de
las reivindicaciones adjuntas. Aunque en la presente se emplean
términos específicos, dichos términos se utilizan solamente en un
sentido genérico y descriptivo y no a fines de limitación.
Claims (18)
1. Un compresor (10), que comprende:
un eje (26) rotatorio;
un volante (30) de compresor montado sobre el
eje (26), teniendo el eje una pluralidad de álabes (32) fijos al
mismo;
una carcasa (22) de cojinete que define un
espacio interior;
un cojinete (24) montado en la carcasa (22) de
cojinete y que soporta rotablemente el eje (26);
un alojamiento (12) de compresor que rodea el
volante (30), definiendo el alojamiento del compresor una vía de
flujo de gas principal, teniendo el alojamiento del compresor una
pared fija inmediatamente contigua a, y espaciada de, una
superficie de volante (30) del compresor, extendiéndose dicha
superficie desde un lugar contiguo a la vía de flujo de gas
principal genéricamente de manera radial e interiormente hacia la
carcasa (22) del cojinete;
un conducto (14) de entrada a través del cual
se conduce aire al interior del compresor;
el alojamiento (12) del compresor y la carcasa
(22) del cojinete definen una vía de fuga desde la vía de flujo de
gas principal al interior de la carcasa del cojinete, estando
definida al menos parte de la vía de fuga entre la superficie del
volante del compresor y la pared fija del alojamiento del compresor;
y
un dispositivo de estanqueidad dispuesto dentro
de la vía de fuga, y un conducto (46) de suministro de aire
presurizado que conduce a través del alojamiento del compresor al
interior de la vía de fuga;
caracterizado porque:
- el dispositivo de estanqueidad comprende (a) un elemento (42) de resistencia hidráulica dispuesto entre la superficie del volante del compresor y la pared fija del alojamiento del compresor, (b) un conjunto de álabes (60) auxiliares montados en la superficie del volante del compresor y operable para extraer una parte del aire presurizado radial y exteriormente por medio de los álabes auxiliares;
- un conducto (36) de suministro de combustible está instalado para introducir combustible corriente arriba del compresor, mezclándose el combustible y el aire en el conducto (14) de entrada, de manera tal que el compresor (10) comprime una mezcla de aire y combustible;
- y se suministra una fuente de aire (48) presurizado que no contiene combustible, estando dispuesta dicha fuente para introducir el aire presurizado sin combustible a través del conducto (46) de suministro de aire presurizado (46) en la vía de fuga, de manera tal que el aire presurizado sin combustible previene que el fluido de la vía de flujo de gas principal pase más allá del dispositivo impermeabilizante (42, 60) y al interior de la carcasa (22) del cojinete.
en el que cuando el dispositivo de estanqueidad
comprende solamente el elemento (42) de resistencia hidráulica, la
fuente de aire (48) presurizado tiene una presión que supera la de
la vía de flujo de gas principal.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El compresor de la reivindicación 1, en el
que el dispositivo de estanqueidad comprende un elemento de
resistencia hidráulica en forma de junta (42) de laberinto.
3. El compresor de la reivindicación 2, que
comprende además un segundo elemento (70) de resistencia hidráulica
dispuesto entre la superficie del volante (30) del compresor y la
pared fija del alojamiento (12) del compresor, estando el segundo
elemento (70) de resistencia hidráulica espaciado radialmente hacia
fuera del primer elemento (42) de resistencia hidráulica, de manera
tal que se define una cavidad (72) entre los mismos, y un conducto
(74) de recirculación que conduce desde la cavidad (72) de nuevo al
interior del conducto (14) de entrada del compresor para hacer
recircular de nuevo hacia la entrada del compresor cualquier aire y
combustible fugado más allá del segundo elemento (70) de
resistencia hidráulica al interior de la cavidad (72).
4. El compresor de la reivindicación 3, que
comprende además un tercer elemento (40) de resistencia hidráulica
dispuesto entre la superficie del volante del compresor y la pared
fija del alojamiento del compresor, estando el tercer elemento (40)
de resistencia hidráulica espaciado radialmente hacia dentro del
primer elemento (42) de resistencia hidráulica, de manera tal que
se define una segunda cavidad (44) entre los mismos, conduciendo el
conducto (46) de suministro de aire presurizado a través del
alojamiento (12) del compresor al interior de la segunda cavidad
(44).
5. El compresor de la reivindicación 1, que
comprende además un conducto (28) de suministro de aceite que
conduce a través de la carcasa (22) del cojinete al interior del
mismo para suministrar aceite lubricante al cojinete (24), y un
drenaje (52) de aceite que conduce al exterior desde el interior de
la carcasa del cojinete para evacuar el aire y aceite de la carcasa
del cojinete.
6. El compresor de la reivindicación 1, en el
que el dispositivo de estanqueidad comprende los álabes (60)
auxiliares.
7. El compresor de la reivindicación 6, que
comprende además un elemento (40) de resistencia hidráulica
dispuesto en la vía de fuga espaciado radialmente hacia dentro de
los álabes (60) auxiliares, de manera tal que se define una cavidad
(44) entre los mismos, en el que el conducto (46) de suministro de
aire presurizado conduce al interior de la cavidad (44).
8. El compresor de la reivindicación 7, en el
que el elemento (40) de resistencia hidráulica comprende una junta
de laberinto.
9. El compresor de la reivindicación 8, que
comprende además un conducto (28) de suministro de aceite que
conduce a través de la carcasa (22) del cojinete al interior de la
misma, para suministrar aceite lubricante al cojinete, y un drenaje
(52) de aceite que conduce al exterior de la carcasa del cojinete
para evacuar aire y aceite de la carcasa del cojinete.
10. El compresor de la reivindicación 6, en el
que el alojamiento (12) del compresor define un conducto (14) de
entrada a través del cual el aire es conducido al interior del
compresor, y que comprende además un conducto (36) de suministro de
combustible que conduce al interior del conducto de entrada para
suministrar combustible al compresor.
11. Un procedimiento de estanqueidad de un
compresor (10), en el que el compresor define una vía de fuga que
conduce desde una vía de flujo de gas principal del compresor
genéricamente radialmente hacia dentro al interior de la carcasa
(22) del cojinete del compresor, definiéndose al menos parte de una
vía de fuga entre una superficie del volante (30) del compresor y
una pares del alojamiento (12) del compresor, estando dispuesto un
dispositivo de estanqueidad entre la superficie del volante del
compresor y la pared fija del alojamiento del compresor, y un
conducto (46) de suministro de aire presurizado que conduce a través
del alojamiento (12) del compresor al interior de la vía de fuga en
un lugar situado entre la carcasa (22) del cojinete y el
dispositivo de estanqueidad;
caracterizado porque:
el compresor (10) comprime una mezcla de aire y
combustible dentro del compresor;
el aire que no tiene combustible se introduce a
través del conducto (46) de suministro de aire presurizado al
interior de la vía de fuga, de manera tal que una primera parte del
aire presurizado fluye hacia el interior de la carcasa (22) del
cojinete, mientras que una segunda parte del aire presurizado fluye
exteriormente más allá del dispositivo de estanqueidad,
previniendo así toda fuga de aire y combustible del flujo de la vía
de flujo de gas principal más allá del dispositivo de estanqueidad
al interior de la carcasa del cojinete; y
el dispositivo de estanqueidad comprende (a) un
elemento (42) de resistencia hidráulica dispuesto entre la
superficie del volante del compresor y la pared fija del alojamiento
del compresor, o (b) un conjunto de álabes (60) auxiliares montados
en la superficie del volante del compresor y operable para extraer
aire radialmente hacia fuera por medio de los álabes
auxiliares,
- en el que cuando el dispositivo impermeabilizante comprende solamente el elemento (42) de resistencia hidráulica el aire presurizado se suministra a través del conducto (46) de suministro de aire presurizado a una presión mayor que la de la vía de flujo de gas principal de manera tal que la segunda parte del aire presurizado fluye exteriormente más allá del elemento (42) de resistencia hidráulica al interior de la vía de flujo de gas principal, previniéndose así toda fuga de aire y combustible al interior de la carcasa del cojinete.
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en
el que el dispositivo impermeabilizante comprende el elemento (42)
de resistencia hidráulica, y comprende además un segundo elemento
(70) de resistencia hidráulica dispuesto entre la superficie del
volante (30) del compresor y la pared fija del alojamiento (12) del
compresor, estando el segundo elemento (70) de resistencia
hidráulica espaciado radialmente hacia fuera del primer elemento
(42) de resistencia hidráulica de manera tal que se define una
cavidad (72) entre los mismos, y en el que:
- El aire presurizado sin combustible se suministra a través del conducto (46) de suministro de aire presurizado a una presión mayor que la de la carcasa (22) del cojinete, pero menor que la de la vía de flujo de gas principal de manera tal que la segunda parte del aire presurizado fluye exteriormente más allá del primer elemento (42) de reasistencia hidráulica al interior de la cavidad (72); y el aire y el combustible de la cavidad (72) se recirculan por medio del conducto (74) de recirculación de nuevo hacia una salida del compresor, previniéndose así toda fuga de aire y de combustible al interior de la carcasa (22) del cojinete.
13. El procedimiento de la reivindicación 12, en
el que el compresor comprende además un tercer elemento (40) de
resistencia hidráulica dispuesto entre la superficie del volante del
compresor y la pared fija del alojamiento del compresor, estando el
tercer elemento (40) de resistencia hidráulica espaciado radialmente
hacia dentro del primer elemento (42) de resistencia hidráulica de
manera tal que se define una cavidad (44) entre los mismos,
conduciendo el conducto (46) de suministro de aire presurizado a
través del alojamiento (12) del compresor al interior de la segunda
cavidad (44).
14. El procedimiento de la reivindicación 11, en
el que el dispositivo impermeabilizante comprende los álabes (60)
auxiliares, y el aire presurizado se introduce a través del conducto
(46) de suministro de aire presurizado a una presión mayor que la
de la carcasa (22) del cojinete, pero menor que la de la vía de
flujo de gas principal.
15. El procedimiento de la reivindicación 14, en
el que el compresor comprende además un elemento (40) de
resistencia hidráulica dispuesto en la vía de fuga espaciado
radialmente hacia dentro de los álabes (60) auxiliares de manera
tal que se define una cavidad (44) entre los mismos, en el que el
conducto (46) de suministro de aire presurizado conduce al interior
de la cavidad (44), suministrándose el aire presurizado al interior
de la cavidad (44) a una presión mayor que la de la carcasa (22)
del cojinete, pero menor que la de la vía de flujo de gas
principal, de manera tal que la primera parte del aire presurizado
fluye interiormente más allá del primer elemento (40) de
resistencia hidráulica al interior de la carcasa (22) del cojinete,
y la segunda parte del aire presurizado es extraída por medio de
los álabes (60) auxiliares, de manera tal que los álabes auxiliares
presurizan más el aire y lo introducen en el interior de la vía de
flujo de gas principal, previniéndose así toda fuga de aire y de
combustible al interior de la carcasa (22) del cojinete.
16. El procedimiento de la reivindicación 11, en
el que el compresor incluye un cojinete (24') de aire, y en el que
una parte del aire presurizado suministrado a través del conducto
(46) de suministro de aire presurizado fluye al interior del
cojinete (24') de aire y reduce o elimina de esta manera la
necesidad de un suministro de aire separado al cojinete (24') de
aire.
17. El procedimiento de la reivindicación 11, en
el que el compresor incluye un cojinete (24') magnético, y durante
el arranque del compresor una parte del aire presurizado
suministrado a través del conducto (46) de suministro de aire
presurizado fluye al interior del cojinete magnético para proteger
el cojinete.
18. El procedimiento de la reivindicación 11, en
el que el compresor incluye un cojinete (24') magnético y durante
el paro del compresor una parte del aire presurizado suministrado a
través del conducto (46) de suministro de aire presurizado fluye al
interior del cojinete magnético para proteger el cojinete.
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