ES2335945T3 - Junta de escobillas para una turbomaquina con tal junta de escobillas. - Google Patents
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Abstract
Junta de escobillas de una etapa (10) para una turbomáquina para hermetizar una ranura entre un componente giratorio y un componente estático de la turbomáquina, en la que se encuentran previstas cerdas elásticas flexibles (12) en múltiples hileras de cerdas dispuestas una junto a la otra (28), con lo que entre, al menos, dos hileras de cerdas (28) se encuentra dispuesta una lámina o un disco, que se extiende en la dirección longitudinal de las cerdas (12), caracterizada porque la lámina (30, 32) o el disco se componen de un material con propiedades abrasivas.
Description
Junta de escobillas para una turbomáquina y
turbomáquina con tal junta de escobillas.
La presente invención hace referencia a una
junta de escobillas para una turbomáquina para hermetizar una
ranura entre un componente giratorio y un componente estático de la
turbomáquina, en la que se encuentran previstas cerdas elásticas
flexibles en múltiples hileras de cerdas dispuestas una junto a la
otra.
En turbomáquinas con componentes giratorios y
estáticos se utilizan elementos de sellado con diferentes tipos de
construcción para hermetizar diferentes cámaras de presión. En este
caso, entre los componentes giratorios y estáticos se implementan,
especialmente, juntas sin contacto (por ejemplo juntas de laberinto)
o elementos de contacto flexible. Entre los elementos de sellado
flexibles con contacto se encuentran, entre otras, las así llamadas
juntas de esco-
billas.
billas.
Mientras que las juntas sin contacto son
adecuadas para hermetizar diferencias de presión de algunos milibar
hasta de varios cientos de bar, el campo de aplicación de las juntas
de escobillas, incluso en el caso de una disposición multietapa
(varias juntas de escobillas una detrás de otra), se encuentra
limitado debido al "efecto de soplado"
(Blow-Over) y a un "repliegue" que sufren
relacionados con la diferencia de presión máxima.
El "efecto de soplado"
(Blow-Over) se encuentra ilustrado en la fig. 1
mediante una representación de la sección transversal de una junta
de escobillas 10, conforme al estado actual del arte. En el caso de
esta junta de escobillas 10 se encuentran dispuestas cerdas 12 en
varias hileras y sujetas a un cuerpo base 14. El cuerpo base 14 se
encuentra engarzado en dos lados opuestos de, en cada caso, una
chapa guía 16, desde los que la chapa guía 16, representada a la
derecha de la fig. 1, se extiende hasta el área terminal inferior de
las cerdas 12, de manera tal que apoya en la misma las cerdas 12.
En el caso de una diferencia de presión correspondientemente alta
"p_{1} >> p_{2}" en la junta de escobillas 10, las
cerdas 12 se doblan en su extremo inferior, de forma tan fuerte que
puede fluir un medio fluido desde la cámara de presión representada
en la fig. 1 en el lado izquierdo hacia la cámara de presión
representada en el lado de-
recho.
recho.
En la fig. 2 se encuentra ilustrado el
"repliegue" de una junta de escobillas 10 en una representación
de la sección transversal conforme a la de la fig. 1. En el caso
del "repliegue", el flujo desfavorable hacia el área terminal
inferior de las cerdas 12 ocasiona que algunas cerdas individuales
sean dobladas hacia la cámara de presión en el lado izquierdo, de
manera que, a su vez, pueda llegar un medio fluido desde esta cámara
de presión sometida a una presión p_{1} a la cámara de presión en
el lado derecho, sometida a una presión menor p_{2}.
Para aumentar la capacidad de rendimiento de las
juntas de escobillas conocidas, en las soluciones mencionadas hasta
ahora las cerdas se realizan, en comparación, gruesas, los paquetes
individuales de cerdas son sostenidos por una chapa guía o un
anillo de apoyo (véase fig. 1 y 2, la chapa guía 16) y/o el paquete
de cerdas individual se encuentra realizado, en general, de forma
relativamente ancha o gruesa.
A pesar de ello, la diferencia de presión
conocida soportable de las juntas de escobillas conocidas sigue
teniendo las limitaciones arriba mencionadas. Especialmente debido
al juego radial necesario entre los componentes giratorios y
estáticos, las cerdas no pueden ser apoyadas mediante una chapa guía
o un anillo de apoyo, en una cercanía deseada, contra un componente
opuesto.
Una junta de escobillas para una turbomáquina
para hermetizar una ranura entre un componente giratorio y un
componente estático de la turbomáquina, conocida a partir de la EP
992721 y la US5106104, presenta las cerdas flexibles elásticas
antes mencionadas en múltiples hileras de cerdas dispuestas una
junto a la otra, con lo que la junta de escobillas conforme a la
invención se encuentra conformada en una sola etapa. Entre, al
menos, dos hileras de cerdas se encuentra dispuesta, además, una
lámina o un disco o membrana que se extiende en la dirección
longitudinal de las cerdas.
Es objeto de la presente invención perfeccionar
una junta de escobillas del tipo antes mencionado, para que, en el
caso de una turbomáquina equipada con ella, se puedan hermetizar
diferencias de presión más altas.
Este objeto es resuelto, conforme a la
invención, mediante una junta de escobillas conforme a la
reivindicación 1 y una turbomáquina conforme a la reivindicación
13. En las reivindicaciones secundarias se definen
perfeccionamientos ventajosos de la presente invención.
La lámina o el disco conforme a la invención se
componen de un material con propiedades abrasivas. De esta manera,
la lámina o el disco pueden tener la misma longitud que las cerdas,
con lo que se aumenta la rigidez de las puntas de las cerdas, y así
se reduce fuertemente un quiebre de las cerdas alrededor de la chapa
guía.
Una junta de escobillas de una etapa se
caracteriza porque varias cerdas se encuentran dispuestas
esencialmente con contacto a lo largo de su longitud y, de esta
manera, se forma un paquete de cerdas. De esta manera, una junta de
escobillas de una etapa se caracteriza por un paquete de cerdas con
cerdas que se encuentran más cerca unas de otras. Otra
característica de una junta de escobillas de una etapa es la
sujeción de las cerdas en un soporte de junta de escobillas, con lo
que los extremos de las cerdas dispuestas en el soporte de las
juntas de escobillas se encuentran muy cerca unos de otros. Las
juntas de escobillas multietapa se caracterizan por, al menos, dos
paquetes de cerdas separados espacialmente y dispuestos uno detrás
del otro, con lo que los respectivos paquetes de cerdas, en
general, no hacen contacto.
La junta de escobillas conforme a la invención
presenta entonces, entre cada una de las hileras de cerdas de sus
paquetes de cerdas, al menos una capa intermedia en forma de una
lámina o de un disco. El disco puede ser, especialmente, una chapa
fina. Con las láminas o los discos, conforme a la invención, de este
tipo se logra que las cerdas individuales y las capas intermedias
conforme a la invención se apoyen mutuamente. El peligro de un
quiebre de las cerdas alrededor de la chapa guía (véase fig. 1) o de
un repliegue de las cerdas (véase fig. 2) se reduce fuertemente
conforme a la invención. De esta manera, la junta de escobillas
conforme a la invención también es adecuada para diferencias de
presión más altas. Con las láminas o los discos conforme a la
invención, el repliegue de cerdas individuales debido a un flujo
afectado por torsión hacia una junta de escobillas se puede
reducir, especialmente, en el lado de entrada del flujo.
Para colocar de manera económica y sostener de
forma duradera la lámina o el disco, conforme a la invención, a la
junta de escobillas es ventajoso disponer las cerdas de forma fija
con un área terminal en un cuerpo base, y también sostener la
lámina o el disco con un área de borde mediante este cuerpo base
entre las cerdas.
De manera ventajosa, la lámina o el disco se
encuentran fabricados de una matriz de metal o de grafito.
Preferentemente, la lámina o el disco conforme a
la invención se encuentran fabricados de plástico y/o metal. Con
materiales de este tipo se pueden lograr, de manera económica, los
efectos de soporte deseados de apoyo a la temperatura de servicio
necesaria de la junta de escobillas.
Además, conforme a la invención es ventajoso
conformar la lámina o el disco, al menos por secciones, de forma
perforada y/o, al menos por secciones, de forma ranurada. Con las
juntas de escobillas de este tipo se puede mantener el "efecto de
aspirado" (Blow-Down) de la junta de escobillas
(es decir, el cierre de la junta de escobillas a través de fuerzas
de presión radiales sobre el paquete de cerdas correspondiente).
Finalmente, conforme a la invención es ventajoso
conformar la lámina o el disco, en términos de la extensión
longitudinal de las cerdas, con la misma longitud y/o más cortas que
éstas. Además, el paquete de cerdas conforme a la invención con la
lámina o el disco correspondiente se puede apilar las veces que se
desee y conformar con el espesor que se desee. La cantidad de
láminas o discos así como su espesor individual puede ser variada
de acuerdo a la exigencia de la situación de hermetización. Los
discos o las láminas pueden ser realizados de manera que sean
dispuestos, inyectados, soldados, arrollados y/o comprimidos junto
con las cerdas correspondientes.
Preferentemente, la lámina o el disco presentan
una estructura para apoyar las cerdas. Con esta medida, en
comparación fácil de fabricar, se puede aumentar aún más la rigidez
de la chapa. Para ello, la lámina o el disco son doblados
esencialmente en dirección longitudinal para evitar una curvatura.
De manera ventajosa, la lámina o el disco son conformadas de manera
ondulada en forma sinusoidal, en forma de U o en forma
triangular.
A continuación se explica un ejemplo de
ejecución de una junta de escobillas conforme a la invención con
ayuda de los dibujos esquemáticos adjuntos.
Éste muestra:
Fig. 1 una sección transversal de una junta de
escobillas conforme al estado actual del arte para la explicación
arriba mencionada del "efecto de soplado",
Fig. 2 una sección transversal de una junta de
escobillas conforme al estado actual del arte para la explicación
arriba mencionada del "repliegue",
Fig. 3 una sección transversal y debajo una
vista parcialmente en perspectiva de un ejemplo de ejecución de una
junta de escobillas conforme al estado actual del arte que
corresponde al de la fig. 1 y 2,
Fig. 4 una sección transversal de otro ejemplo
de ejecución de una junta de escobillas conforme al estado actual
del arte,
Fig. 5 una sección transversal y debajo una
vista parcialmente en perspectiva de un ejemplo de ejecución de una
junta de escobillas conforme a la invención, que se basa en una
junta de escobillas conforme a la fig. 3,
Fig. 6 una sección transversal de otro ejemplo
de ejecución de una junta de escobillas conforme a la invención,
que se basa en una junta de escobillas conforme a la fig. 4,
Fig. 7 una vista parcialmente en perspectiva de
un ejemplo de ejecución de una junta de escobillas conforme a la
invención con una estructura ondulada del disco,
Fig. 8 una vista inferior, vista en dirección
longitudinal de las cerdas, de un ejemplo de ejecución de una junta
de escobillas conforme a la invención,
Fig. 9 una vista inferior, vista en dirección
longitudinal de las cerdas, de un ejemplo de ejecución de una junta
de escobillas conforme a la invención,
Fig. 10 una vista inferior, vista en dirección
longitudinal de las cerdas, de un ejemplo de ejecución de una junta
de escobillas conforme a la invención,
Fig. 11 una vista inferior, vista en dirección
longitudinal de las cerdas, de un ejemplo de ejecución de una junta
de escobillas conforme a la invención.
En la fig. 3 se ilustra una junta de escobillas
10 del estado actual del arte que presenta cerdas 12 que se
extienden esencialmente en paralelo, y que juntas forman un paquete
de cerdas. Las cerdas 12 se encuentran dispuestas en un cuerpo base
14 que se encuentra entre dos chapas guía 16. Las chapas guía 16 se
extienden individualmente en la dirección longitudinal de las
cerdas 12, con lo que la chapa guía 16, en relación a la fig. 3 en
el lado derecho, se encuentra curvada con su área terminal inferior
en dirección a las cerdas 12 y soporta a las cerdas 12 en su área
terminal inferior. Al rotar la junta de escobillas de este tipo 10
en la dirección de una flecha 18, las áreas terminales inferiores,
en relación a la fig. 3, de las cerdas 12 sufren una resistencia de
fricción en un (no representado en las fig. 3 a 6) componente
opuesto, y por ello las cerdas 12 son curvadas en contra de su
dirección principal de movimiento en un ángulo 20.
En la fig. 4 se ilustra un ejemplo de ejecución
de una junta de escobillas 10 conforme al estado actual del arte,
en la que las cerdas 12 se encuentran colocadas alrededor de un
alambre central 22 y se encuentran comprendidas desde afuera por
una envoltura 24 esencialmente circular en su sección transversal.
En relación a la fig. 4, las cerdas 12 sobresalen hacia abajo desde
esta envoltura 24, en dirección a un componente fijo (no
representado).
En la fig. 5 se ilustra un ejemplo de ejecución
de una junta de escobillas 10 conforme a la invención, que también
presenta cerdas 12, un cuerpo base 14 así como dos chapas guía 16.
La junta de escobillas 10 también rota en la dirección de una
flecha 18. Para ello, las cerdas 12 se encuentran dispuestas en
hileras de cerdas 28 esencialmente paralelas, y entre estas hileras
de cerdas 28 se encuentran, en total, dos láminas 30 y 32. En su
superficie, la lámina 30, dirigida hacia una cámara de presión 34
con, en comparación, baja presión, se encuentra conformada de
manera cerrada. En cambio, la lámina 32 que se encuentra dirigida a
una cámara de presión 36 con, en comparación, alta presión, se
encuentra conformada de manera perforada mediante perforaciones
38.
La fig. 5 muestra una junta de escobillas de una
etapa 10. Las dos láminas 30 y 32 se encuentran fabricadas con un
material con propiedades abrasivas. Como material abrasivo puede
servir una matriz de metal o grafito.
La fig. 7 muestra una junta de escobillas
conforme a la invención, con lo que la lámina 30, 32 presenta una
estructura para apoyar las cerdas 12. La representación en
perspectiva de la junta de escobillas conforme a la fig. 7 muestra
una estructura triangular de la lámina 30, 32. En la fig. 8 se
muestra la estructura triangular desde abajo. La fig. 9 y la fig.
10 muestran una estructura sinusoidal o en forma de U de la lámina
30, 32. La lámina 30, 32 conforme a la fig. 11 es mejorada mediante
puentes 40 conformada en la dirección longitudinal de las cerdas,
con lo que se aumenta la rigidez de la lámina 30, 32.
En la fig. 6 se representa otro ejemplo de
ejecución de una junta de escobillas conforme a la invención 10,
que en relación a las cerdas 12, un alambre 22 y una envoltura 24,
se encuentra conformado como el ejemplo de ejecución representado
en la fig. 4 del estado actual del arte. Sin embargo, en el ejemplo
de ejecución conforme a la fig. 6, entre las cerdas 12 dispuestas
alrededor del alambre 22 se encuentra, además, una lámina, de
manera que en el área de las cerdas que sobresalen de la envoltura
24 resulta nuevamente la disposición por capas de cerdas 12 y
lámina/s 30 o 32 ilustrada en perspectiva en la fig. 5.
Claims (13)
1. Junta de escobillas de una etapa (10) para
una turbomáquina para hermetizar una ranura entre un componente
giratorio y un componente estático de la turbomáquina, en la que se
encuentran previstas cerdas elásticas flexibles (12) en múltiples
hileras de cerdas dispuestas una junto a la otra (28), con lo que
entre, al menos, dos hileras de cerdas (28) se encuentra dispuesta
una lámina o un disco, que se extiende en la dirección longitudinal
de las cerdas (12), caracterizada porque la lámina (30, 32) o
el disco se componen de un material con propiedades abrasivas.
2. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 1, caracterizada porque las cerdas (12) se
encuentran dispuestas de forma fija en una área terminal en un
cuerpo base (14), y la lámina (30, 32) o el disco también se
encuentra sujeta mediante un área de borde a este cuerpo base (14)
entre las cerdas (12).
3. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 1, con lo que la lámina (30, 32) o el disco se
encuentran fabricados de una matriz de metal o de grafito.
4. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la lámina (30, 32)
o el disco se encuentran fabricados en plástico.
5. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 1 o 2, caracterizada porque la lámina (30, 32)
o el disco se encuentran fabricados en metal.
6. Junta de escobillas conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la lámina
(30, 32) o el disco se encuentran conformados, al menos por
secciones, de manera perforada.
7. Junta de escobillas conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la lámina
(30, 32) o el disco se encuentran conformados, al menos por
secciones, de manera ranurada.
8. Junta de escobillas conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la lámina
(30, 32) o el disco, en términos de la extensión longitudinal de
las cerdas (12), se encuentran conformados con la misma longitud
que éstas.
9. Junta de escobillas conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la lámina
(30, 32) o el disco, en términos de la extensión longitudinal de
las cerdas (12), se encuentra conformado con una longitud menor que
éstas.
10. Junta de escobillas conforme a una de las
reivindicaciones anteriores, con lo que la lámina (30, 32) o el
disco presentan una estructura para apoyar las cerdas.
11. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 10, con lo que la lámina (30, 32) o el disco son
onduladas.
12. Junta de escobillas conforme a la
reivindicación 11, con lo que la lámina (30, 32) o el disco son
onduladas en forma sinusoidal, en forma de U o en forma
triangular.
13. Turbomáquina con una junta de escobillas
(10) conforme a una de las reivindicaciones 1 a 7.
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