ES2346566T3 - Compresor centrifugo que incluye un sistema de juntas. - Google Patents

Abstract

Un compresor centrífugo (20) que comprende: un impulsor (85) que define un diámetro exterior y que puede girar en torno a un eje para proporcionar un flujo de fluido comprimido, pasando una porción del fluido comprimido en torno al diámetro exterior para definir un flujo de escape; una extensión (200) que se extiende desde el impulsor (85) que incluye una primera porción (215) de junta; y un anillo estacionario (270) de junta que incluye una segunda porción (275) de junta, caracterizado porque la primera porción (215) de junta tiene una pluralidad de escalones (250) en una dirección del flujo de escape, teniendo el primero de la pluralidad de escalones (250) un primer diámetro, siendo el diámetro de cada escalón subsiguiente menor que un escalón adyacente corriente arriba; y la segunda porción (275) de junta tiene una pluralidad de dientes (320), dispuesto cada diente (320) adyacente a uno de la pluralidad de escalones (250) para definir una pluralidad de puntos de junta que inhiben el paso del flujo de escape.

Description

Compresor centrífugo que incluye un sistema de juntas.

Antecedentes

La presente invención versa acerca de un impulsor para un compresor centrífugo. Más en particular, la invención versa acerca de un impulsor para un compresor centrífugo que incluye una superficie de estanqueidad en una porción trasera.

La compresión de un gas en los compresores centrífugos, también conocidos como compresores dinámicos, está basada en la transferencia de energía desde un conjunto de álabes giratorios del impulsor al gas. Un compresor centrífugo convencional de gas incluye un alojamiento estacionario y un impulsor dentro del alojamiento que puede girar en torno a un eje. El gas, tal como aire, es dirigido en una dirección generalmente axial a los bordes anteriores de los álabes del impulsor, y sale en los bordes posteriores de los álabes en una dirección generalmente radial, normalmente hacia un difusor y luego hacia una voluta. Los álabes giratorios imparten energía al cambiar el momento o la velocidad, y la presión del gas. Se convierte el momento del gas, que está relacionado con la energía cinética, en energía de presión al reducir la velocidad del gas en el difusor estacionario y en los sistemas de recogida corriente abajo (por ejemplo, la voluta). Se aumenta la presión del gas en los bordes posteriores de los álabes en comparación con el gas en los bordes anteriores de los álabes. Debido a que los compresores centrífugos incluyen tanto componentes estacionarios como giratorios, se requieren juntas para contener el gas comprimido descargado desde el impulsor.

Debido a una rigidez no simétrica del impulsor, las fuerzas del cuerpo relacionadas con la masa inducidas por el giro (por ejemplo, fuerzas centrífugas) imparten al impulsor, un desplazamiento característico dirigido hacia el lado del álabe del impulsor.

Se puede absorber el empuje axial neto que actúa sobre un eje que incluye uno o más impulsores por medio de un cojinete de empuje que tiene una capacidad sustentadora que depende generalmente del tipo, diseño, rendimiento y coste del cojinete. Durante la operación del impulsor, se pueden desarrollar distintas condiciones inducidas aerodinámicamente, de forma que se puede invertir la dirección del empuje neto, requiriendo de esta manera un cojinete de empuje adicional para mantener el conjunto rotor en la porción axial apropiada con respecto a las estructuras estacionarias circundantes del compresor.

El documento CH 138 087 A (Escher Wyss Machf AG [CH]), que da a conocer todas las características de la primera parte de la reivindicación 1, describe un compresor centrífugo que comprende un impulsor giratorio que tiene una extensión que define una porción de estanqueidad que forma un cierre hermético contra un anillo estacionario de junta.

El documento DE 41 25 763 A1 (MAN B & W Diesel AG [DE]) describe un impulsor de un compresor radial que tiene álabes y discos que están separados de la tapa de un alojamiento por medio de rebordes de estanqueidad.

El documento EP 0 518 027 A1 (Mitsubishi Heavy Ind Ltd [JP]) describe un compresor centrífugo en el que está dispuesto un miembro de junta de forma anular y múltiple en la parte trasera de un impulsor para sellar un hueco entre el impulsor y su alojamiento.

Resumen

En una realización, la invención proporciona un compresor centrífugo que incluye un impulsor que define un diámetro externo y puede girar en torno a un eje para proporcionar un flujo de fluido comprimido. Una porción del fluido comprimido pasa en torno al diámetro exterior para definir un flujo de escape. Se extiende una extensión desde el impulsor e incluye una primera porción de junta que tiene una pluralidad de escalones en una dirección del flujo de escape. Un primero de la pluralidad de escalones tiene un primer diámetro, siendo el diámetro de cada escalón subsiguiente más pequeño que un escalón adyacente corriente arriba. Un anillo estacionario de junta incluye una segunda porción de junta que tiene una pluralidad de dientes. Cada diente está dispuesto adyacente a uno de la pluralidad de escalones para definir una pluralidad de puntos de cierre hermético que inhiben el paso del flujo de escape.

Serán evidentes otras características y ventajas de la invención para los expertos en la técnica tras el estudio de la siguiente descripción detallada, de las reivindicaciones y de los dibujos.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una vista en corte transversal de un sistema de compresión de fluido que implementa la invención y que se realiza por medio de un eje de giro;

la Fig. 2 es una vista ampliada en corte transversal de un impulsor del sistema de compresión de fluido de la Fig. 1;

la Fig. 3 es una vista en corte transversal de una porción del impulsor de la Fig. 2;

la Fig. 4 es otra vista en corte transversal de una porción del impulsor de la Fig. 2;

la Fig. 5 es un corte transversal de un anillo estacionario de junta de la Fig. 1 tomado a través de un eje de giro;

la Fig. 6 es una vista en corte transversal de dos dientes del anillo estacionario de junta de la Fig. 5;

la Fig. 7 es una vista en corte transversal de otro anillo estacionario de junta que implementa la invención e incluye un recorrido del flujo a través del mismo;

la Fig. 8 es una vista en corte transversal de una porción del compresor centrífugo de la Fig. 2;

la Fig. 9 es una vista en corte transversal de otra porción del compresor centrífugo de la Fig. 2;

la Fig. 10 es una ilustración esquemática de una distribución de la presión para un impulsor de la técnica anterior; y

la Fig. 11 es una ilustración esquemática de una distribución de la presión para el impulsor de la Fig. 2.

Descripción detallada

Antes de que se expliquen en detalle cualquiera de las realizaciones de la invención, se debe comprender que la invención no está limitada en su aplicación a los detalles de construcción y a la disposición de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los siguientes dibujos. La invención es susceptible de otras realizaciones y de ser puesta en práctica o de ser llevada a cabo de diversas formas. Además, se debe comprender que la fraseología y la terminología utilizadas en el presente documento son para el propósito de la descripción y no deberían ser consideradas como limitantes. Se pretende que el uso de "que incluye", "que comprende" o "que tiene" y variaciones de los mismos en el presente documento que abarquen los artículos enumerados a partir de entonces y equivalentes de los mismos al igual que artículos adicionales. El orden de las limitaciones especificadas en cualquier reivindicación del procedimiento no significa que las etapas o las acciones expuestas en las mismas deban ser llevadas a cabo en ese orden, a no ser que se exponga explícitamente un orden en la memoria.

La Fig. 1 ilustra un sistema 10 de compresión de fluido que incluye una fuente energética primaria, tal como un motor 15 acoplado a un compresor 20 y operable para producir un fluido comprimido. En la construcción ilustrada, se emplea un motor eléctrico 15 como la fuente energética primaria. Sin embargo, otras construcciones pueden emplear otras fuentes energéticas primarias tal como motores de combustión interna, motores diesel, turbinas de combustión, etc., pero no limitados a los mismos.

El motor eléctrico 15 incluye un rotor 25 y un estátor 30 que define un diámetro interior 35 del estátor. El rotor 25 está soportado para girar sobre un eje 40 y está colocado sustancialmente dentro del diámetro interior 35 del estátor. El rotor ilustrado 25 incluye imanes permanentes 45 que interactúan con un campo magnético producido por el estátor 30 para producir un giro del rotor 25 y del eje 40. Se puede variar el campo magnético del estátor 30 para variar la velocidad de giro del eje 40. Por supuesto, otras construcciones pueden emplear otros tipos de motores eléctricos (por ejemplo, motores de CC síncronos, de inducción, con escobillas, etc.) si se desea.

El motor 15 está colocado dentro de un alojamiento 50 que proporciona tanto un soporte como una protección para el motor 15. Un cojinete 55 está colocado en cada extremo del alojamiento 50 y está soportado de forma directa o indirecta por el alojamiento 50. A su vez, los cojinetes 55 soportan el eje 40 para su giro. En la construcción ilustrada, se emplean los cojinetes magnéticos 55 con otros cojinetes (por ejemplo, de rodillos, de bolas, de agujas, etc.) también adecuados para ser utilizados. En la construcción ilustrada en la Fig. 1, se emplean cojinetes secundarios 60 para proporcionar un soporte del eje en el caso de que uno o los dos cojinetes magnéticos 55 se ave-
ríen.

En algunas construcciones, una camisa externa 65 rodea una porción del alojamiento 50 y define recorridos 70 de refrigeración entre las mismas. Un líquido (por ejemplo, glicol, refrigerante, etc.) o un gas (por ejemplo, aire, dióxido de carbono, etc.) fluye a través de los recorridos 70 de refrigeración para enfriar el motor 15 durante su operación.

Puede haber una caja eléctrica 75 colocado en un extremo del alojamiento 50 para encerrar diversos artículos tales como un controlador de motor, disyuntores, interruptores, y similares. El eje 40 del motor se extiende más allá del extremo opuesto y el alojamiento 50 para permitir que el eje esté acoplado al compresor 20.

El compresor 20 incluye un alojamiento 80 de entrada o un anillo de entrada, un impulsor 85, un difusor 90, y una voluta 95. La voluta 95 incluye una primera porción 100 y una segunda porción 105. La primera porción 100 se fija al alojamiento 50 para acoplar la porción estacionaria del compresor 20 a la porción estacionaria del motor 15. La segunda porción 105 se fija a la primera porción 100 para definir un canal 110 de entrada y un canal 115 de recogida. La segunda porción 105 también define una porción 120 de descarga que incluye un canal 125 de descarga que se encuentra en comunicación fluida con el canal 115 de recogida para descargar el fluido comprimido desde el compresor 20.

En la construcción ilustrada, la primera porción 100 de la voluta 95 incluye una pata 130 que proporciona un soporte para el compresor 20 y el motor 15. En otras construcciones, se utilizan otros componentes para soportar el compresor 20 y el motor 15 en la posición horizontal. En aún otras construcciones, se emplean una o más patas, u otros medios para soportar el motor 15 y el compresor 20 en una orientación vertical o cualquier otra orientación deseada.

El difusor 90 está colocado hacia dentro de forma radial del canal 115 de recogida, de forma que el fluido que fluye desde el impulsor 85 debe pasar a través del difusor 90 antes de entrar en la voluta 95. El difusor 90 incluye superficies aerodinámicas 135 (por ejemplo, paletas, álabes, aletas, etc.), mostradas en la Fig. 2, dispuestas para reducir la velocidad del flujo y aumentar la presión del fluido según pasa a través del difusor 90.

El impulsor 85 está acoplado al eje 40 del rotor, de forma que el impulsor 85 gira con el rotor 25 del motor. En la construcción ilustrada, un vástago 140 se acopla de forma roscada con el eje 40 y una tuerca 145 se acopla de forma roscada con el vástago 140 para fijar de forma inamovible el impulsor 85 al eje 40. El impulsor 85 se extiende más allá del cojinete 55 que soporta el eje 40 del motor y, como tal está soportado en voladizo. Otras construcciones pueden emplear otros sistemas de fijación para fijar el impulsor 85 al eje 40 y otros sistemas de soporte para soportar el impulsor 85. Como tal, la invención no debería estar limitada a la construcción ilustrada en la Fig. 1. Además, aunque la construcción ilustrada incluye un motor 15 que está acoplado directamente al impulsor 85, otras construcciones pueden emplear un velociaumentador, tal como una caja de engranajes, para permitir que el motor 15 opere a una velocidad menor que el impulsor 85.

El impulsor 85 incluye una pluralidad de superficies o álabes aerodinámicos 150 que están dispuestas para definir una porción 155 de rodete y una porción 160 de exductor. La porción 155 de rodete está colocada en un primer extremo del impulsor 85 y es operable para mover fluido dentro del impulsor 85 en una dirección sustancialmente axial. Los álabes 150 aceleran el fluido y lo dirigen hacia la porción 160 de exductor ubicada cerca del extremo opuesto del impulsor 85. Se descarga el fluido de la porción 160 de exductor en al menos direcciones parcialmente radiales que se extienden 360 grados en torno al impulsor 85.

El impulsor 85 coopera con un anillo 270 estacionario de junta para definir una junta. La junta está colocada para reducir la fuerza axial aplicada sobre la cara trasera del impulsor 85, reduciendo de ese modo el empuje axial total hacia los álabes 150. Se reduce el empuje hasta un nivel que permite el uso de un cojinete magnético activo 163 de empuje en vez de un cojinete de empuje más convencional. El cojinete magnético 163 de empuje incluye un disco 164 de empuje que tiene un diámetro reducido en comparación con el que sería necesario en ausencia del sistema de juntas mencionado anteriormente.

El alojamiento 80 de entrada; denominado a veces como el anillo de entrada, está conectado a la voluta 95 e incluye un conducto 165 de flujo que lleva al impulsor 85. El impulsor 85 mueve el fluido que va a ser comprimido bajando por el conducto 165 de flujo y dentro de la porción 155 de rodete del impulsor 85. El conducto 165 de flujo incluye una porción 170 de superficie de contacto del impulsor que está colocada cerca de los álabes 150 del impulsor 85 para reducir el escape de fluido por la parte superior de los álabes 150. Por lo tanto, el impulsor 85 y el alojamiento 80 de entrada cooperan para definir una pluralidad de conductos 175 de flujo sustancialmente cerrados.

En la construcción ilustrada, el alojamiento 80 de entrada también incluye un saliente 180 que facilita la fijación de un conducto u otro componente de conducción o de retención de fluido. Por ejemplo, en el saliente 180 podría haber conectado un conjunto de filtro y ser empleado para filtrar el fluido que va a ser comprimido antes de que sea dirigido al impulsor 85. Un conducto iría desde el conjunto de filtro hasta el saliente 180 para sellar sustancialmente el sistema después del filtro e inhibir la entrada de fluidos o contaminantes no deseados.

Con referencia a la Fig. 2; se ilustra el impulsor 85 con mayor detalle. El impulsor 85 incluye un cubo 181 o cuerpo que tiene un lado frontal 182 del que se extienden los álabes y un lado trasero 184 opuesto al lado frontal 182. La porción 155 de rodete es sustancialmente anular y mueve fluido a lo largo de un recorrido 185 de entrada dentro del impulsor 85. El fluido entra en una dirección sustancialmente axial y fluye a través de conductos 175 definidos entre álabes adyacentes 150 hasta la porción 160 de exductor. Definiendo la salida de la porción 160 de exductor un diámetro exterior 190 del impulsor 85.

La Fig. 3 ilustra el lado posterior 184 del impulsor 85 como que incluye un anillo 195 de equilibrio, una extensión 200, y una porción 205 de alineamiento. La porción 205 de alineamiento está dimensionada para encajar al menos parcialmente dentro de un taladro 210 formado como parte del eje 40. Esto proporciona un soporte para el impulsor 85 para inhibir el desajuste entre el eje 40 y el impulsor 85 que puede producir vibraciones no deseadas. En algunas construcciones, el taladro 210 del eje y la porción 205 de alineamiento incluyen características de alineamiento (por ejemplo, ranuras) que ayudan a proporcionar un alineamiento deseado.

El anillo 195 de equilibrio proporciona un material adicional en el lado trasero 184 del impulsor 85 para ser utilizado durante el equilibrado. Se puede eliminar material del anillo 195 de equilibrio en posiciones radiales y angulares selectas para equilibrar de forma estática y dinámica el impulsor 85 según sea requerido para la aplicación particular. Por supuesto, otras construcciones colocan el anillo 195 de equilibrio de forma distinta u omiten por completo el anillo 195 de equilibrio.

La extensión 200 se extiende desde el lado trasero 184 en una dirección generalmente axial alejándose de los álabes 150. La extensión 200 incluye una primera porción 215 de junta que incluye una pluralidad de superficies 220 de junta, y una superficie interna 225 que, en algunas construcciones, puede incluir otra pluralidad de superficies de junta. La primera porción 215 de junta define un diámetro radial medio 230 que, en construcciones preferentes es mayor que aproximadamente el 50 por ciento del diámetro más externo 190 del impulsor 85. La posición de la extensión 200 divide el lado trasero 184 del impulsor 85 en una primera área anular 235 dispuesta de forma radial fuera de la extensión 200 y que se extiende hasta el diámetro más externo 190 del impulsor 85, y una segunda área anular 240 dispuesta de forma radial dentro de la extensión 200 y que se extiende de forma radial hacia dentro hasta la porción 205 de alineamiento.

La Fig. 4 ilustra la extensión 200 con mayor detalle. Una envolvente 245 en torno a la extensión 200 en voladizo en un corte transversal que incluye el eje es generalmente trapezoidal. En tres dimensiones, la envolvente externa de la extensión 200 incluye dos superficies frustocónicas, aunque también son posibles otras formas para la extensión 200. La pluralidad de superficies 220 de junta de la primera porción 215 de junta está definida por una pluralidad de escalones 250. Cada escalón 250 incluye una primera porción 255 que se extiende generalmente de forma axial y una segunda porción 260 que se extiende generalmente de forma radial, formando la primera porción 255 sustancialmente un ángulo recto con la segunda porción 260. Como se muestra en la Fig. 4, la primera superficie 255 que se extiende de forma axial más cerca del lado trasero 184 tiene mayor diámetro, reduciéndose en diámetro cada superficie axial subsiguiente 255 según se alejan del lado trasero 184. En otras palabras, una secuencia definida por dimensiones radiales correspondientes de las superficies axiales 255 tomadas en orden axial, comenzando con la superficie 255 más cercana a los álabes 150 disminuye sustancialmente de manera uniforme. Las superficies generalmente radiales 260 se interconectan con superficies axiales adyacentes 255 para completar la pluralidad de superficies 220 de junta. En construcciones preferentes, las superficies axiales 255 tienen una longitud axial sustancialmente idéntica y el cambio radial entre cualesquiera dos superficies axiales adyacentes 255 es aproximadamente idéntico. En otras palabras, las superficies radiales 260 son todas sustancialmente idénticas en longitud. En otras construcciones, se emplean otros patrones de escalones. Por ejemplo, una construcción emplea porciones altas y porciones bajas alternas. Por lo tanto, la invención no debería estar limitada únicamente al patrón ilustrado de las superficies 220 de juntas.

En construcciones preferentes, la extensión 200, el anillo 195 de equilibrio, la porción 205 de alineamiento, y los álabes 150, están formados de manera integral a partir de una única pieza homogénea de material. Por supuesto, otras construcciones pueden fijar o formar de otra manera los diversos componentes.

Volviendo a la Fig. 2, la construcción ilustrada incluye un alojamiento 265 de soporte de cojinete que se fija al alojamiento 50 del motor. El alojamiento 265 de soporte de cojinete soporta al menos parcialmente los cojinetes 55, 60 y puede soportar también otros componentes estacionarios del sistema 10 de compresión de fluido. Un anillo estacionario 270 de junta que se fija al alojamiento 265 de soporte de cojinete incluye una segunda porción 275 de junta que está colocada adyacente a la primera porción 215 de junta para definir una junta 280. Como se expondrá con mayor detalle con respecto a la Fig. 11, la junta 280 es, preferentemente, una junta de tipo laberinto.

La Fig. 5 ilustra el anillo estacionario 270 de junta con mayor detalle que el que se muestra en la Fig. 2. El anillo estacionario 270 de junta incluye la segunda porción 275 de junta, un saliente 285, una pluralidad de agujeros 290 para tornillos, y una superficie 295 de alineamiento. El saliente 285 está dispuesto para hacer contacto contra una superficie plana sustancialmente radial 298 para colocar el anillo estacionario 270 de junta en la posición axial deseada. En las construcciones preferentes, hay colocado un separador 300 (mostrado en la Fig. 2) que tiene un grosor seleccionable o ajustable entre el saliente 285 y la superficie plana radial 298 para fijar la posición axial del anillo estacionario 270 de junta. Los tornillos 305 (mostrados en la Fig. 2) pasan a través de los agujeros 290 para tornillos y fijan el anillo estacionario 270 de junta al alojamiento 265 de soporte de cojinete u otro componente estacionario.

La superficie 295 de alineamiento encaja dentro de un taladro 310 formado como parte del alojamiento 265 de soporte de cojinete y está dimensionada para recibir la superficie 295 de alineamiento. En construcciones preferentes, se emplea un ligero ajuste con apriete o encaje a presión para garantizar que el anillo estacionario 270 de junta está colocado de forma coaxial con el alojamiento 265 de soporte de cojinete. Para acomodar el encaje a presión, la superficie 295 de alineamiento puede incluir características 315 de deformación por aplastamiento tal como protuberancias, muescas, u otras características que permiten una deformación más sencilla durante el montaje. Una vez están acoplados entre sí el alojamiento 265 de soporte de cojinete y el anillo estacionario 270 de junta, es posible muy poco movimiento relativo. En construcciones que emplean tornillos de nivelación, aberturas roscadas adicionales pasan a través del saliente 285 para permitir que los tornillos separen el anillo estacionario 270 de junta y el alojamiento 265 de soporte de cojinete. En otras construcciones, el alojamiento 265 de soporte de cojinete y el anillo estacionario 270 de junta están formados como un único componente o más de dos componentes si se desea.

Según se ilustra en la Fig. 5, la segunda porción 275 de junta incluye una pluralidad de dientes 320 que se extiende al menos parcialmente hacia dentro de forma radial. La Fig. 6 ilustra dos de los dientes 320 y una cavidad 323 entre los mismos con mayor detalle. Cada diente 320 tiene un corte transversal sustancialmente trapezoidal con grandes radios de filete entre dientes adyacentes 320 y entre el diente 320 y el resto del anillo estacionario 270 de junta. Por lo tanto, cada diente 320 incluye un lado corriente arriba 325 y un lado corriente abajo 330 que se extiende al menos parcialmente hacia dentro de forma radial y termina en una superficie 335 de punta. En la construcción ilustrada, el lado corriente arriba 325 y el lado corriente abajo 330 no son paralelos. Específicamente, cada diente 320 se extiende en una dirección que tiene tanto un componente radial como un componente axial, de forma que cada diente define un ángulo oblicuo 331 con respecto a un eje 332. El lado corriente abajo 330 de cada diente 320 está orientado a aproximadamente 45 grados con respecto a la dirección axial y el lado corriente arriba 325 de cada diente 320 está orientado a aproximadamente 30 grados con respecto a la dirección radial. Sin embargo, otras construcciones pueden emplear lados corriente arriba 325 y lados corriente abajo 330 paralelos o ángulos distintos de los ilustrados en el presente documento.

La superficie 335 de punta se extiende en una dirección sustancialmente axial y define un radio 340 de la punta. En la construcción ilustrada, el radio 340 de la punta del diente 320 adyacente al impulsor 85 es el más grande, teniendo cada diente 320 adyacente un radio 340 de punta que es ligeramente menor según se alejan los dientes 320 del impulsor 85. En otras palabras, se disminuye axialmente una secuencia definida por las dimensiones radiales correspondientes 340 de las superficies 335 de las puntas en orden axial, comenzando con el diente 320 axialmente más cercano a los álabes 150. En una construcción preferente, el cambio en el radio 340 de la superficie 335 de la punta es aproximadamente igual al cambio en el radio de la pluralidad de superficies axiales 255 de escalón. En otras construcciones, los dientes 320 tienen puntas de borde afiladas o de cuchillo, en vez de la superficie axial 335 ilustrada en el presente documento. En aún otras construcciones, se emplean puntas redondeadas.

La Fig. 7 ilustra otra construcción de un anillo estacionario 345 de junta que es similar al anillo estacionario 270 de junta de la Fig. 5 pero incluye, además, un conducto 350 de flujo. El conducto 350 de flujo divide el anillo estacionario 345 de junta en una porción 355 de presión elevada y en una porción 360 de presión reducida y es particularmente adecuado para ser utilizado en aplicaciones en las que es deseable aislar el fluido que está siendo comprimido. Se puede introducir un gas a una mayor presión que la presión prevista del fluido comprimido en el punto de entrada del conducto 350 de flujo. El gas a presión elevada inhibirá el flujo del fluido comprimido por el conducto 350 de flujo. Más bien, el gas introducido fluirá a través de la porción 360 de presión reducida del anillo 345 de junta. De forma alternativa, se puede aplicar una presión reducida en el conducto 350 de flujo, de forma que el fluido que está siendo comprimido pase a través de la porción 355 de presión elevada y se aspira aire a través de la porción 360 de presión reducida. El aire y el fluido que están siendo comprimidos se mezclan en el conducto 350 de flujo y son extraídos del sistema 10.

La Fig. 8 ilustra la junta completada 280 de laberinto con mayor detalle. En la construcción ilustrada, cada superficie 335 de punta se alinea con una de las superficies axiales 255 para definir un punto radial 365 de junta que tiene un hueco estrecho 370 entre la superficie 335 de la punta y la superficie axial 255. Además, algunas construcciones pueden colocar el diente 320 adyacente a la superficie 260 que se extiende de forma radial para definir un punto axial 375 de junta. En otras construcciones, se pueden emplear otras disposiciones. Por ejemplo, se podrían colocar múltiples dientes 320 sobre superficies axiales comunes 255. De forma alternativa, se podrían emplear dientes rectos.

La junta 280 de laberinto proporciona una junta adecuada sin un contacto no deseable entre los componentes giratorios y los estacionarios. Si se produjese involuntariamente tal contacto, los dientes 320 relativamente estrechos proporcionan un área superficial pequeña para la fricción y el calentamiento. Además, se pueden fabricar una o ambas de las superficies 335, 255 de junta de un material resiliente o que puede ser desgastado para reducir adicionalmente la probabilidad de daño al impulsor 85 o al anillo estacionario 270 de junta si se produjese un contacto no deseable.

Durante su operación, se proporciona energía al motor 15 para producir el giro del eje 40 y del impulsor 85. Según gira el impulsor 85, se mueve fluido que va a ser comprimido dentro del alojamiento 80 de entrada y dentro de la porción 155 de rodete del impulsor 85. El impulsor 85 acelera el fluido desde una velocidad cercana a cero hasta una velocidad elevada en la porción 160 de exductor. Además, el impulsor 85 produce un aumento en la presión entre el rodete 155 y el exductor 160.

Después de pasar a través del impulsor 85, el fluido entra en el difusor 90. El difusor 90 actúa sobre el fluido para reducir la velocidad. La reducción de velocidad convierte la energía dinámica del flujo de fluido en energía potencial o en presión elevada. El fluido, que ahora tiene presión elevada, sale del difusor 90 y entra en la voluta 95 por medio del canal 110 de entrada. Entonces, el fluido de presión elevada pasa al canal 115 de recogida, que recoge el fluido desde cualquier posición angular en torno al canal 110 de entrada. Entonces, el canal 115 de recogida dirige el fluido de presión elevada fuera de la voluta 95 por medio del canal 125 de descarga. Una vez ha sido descargado de la voluta 95, se puede pasar el fluido a varios componentes distintos, incluyendo, pero no limitados a, un sistema de secado, un intercambiador de calor entre etapas, otro compresor, un depósito de almacenamiento, un usuario, un sistema de uso de aire, etc.

Con referencia a la Fig. 9, puede verse que se proporciona un espacio 380 entre el impulsor giratorio 85 y el difusor estacionario 90. Aunque es deseable hacer que este espacio 380 sea pequeño, es inevitable que se escape algo de fluido comprimido en torno al impulsor 85, a través de este espacio 380, y al lado trasero 184 del impulsor 85. Este flujo 385 de escape de presión elevada pasa hacia dentro de forma radial hasta que alcanza la junta 280 de laberinto. Para pasar a través de la junta 280 de laberinto, el flujo de escape debe pasar entre cada superficie 335 de punta y las superficies radial y axial 255, 260 adyacentes al diente 320. En primer lugar, se debe acelerar el flujo 385 para pasar a través del hueco estrecho 370 o de las aberturas definidas entre el diente 320 y las superficies radial y axial 255, 260 respectivas. Después de pasar a través de estos huecos estrechos 370, se expone el flujo 385 a la cavidad 323 relativamente grande entre el diente adyacente 320 y se expande rápidamente para llenar la cavidad 323. La expansión es ineficaz y produce una serie de vórtices y de vórtices de flujo que reducen ligeramente la presión del fluido. Además, el giro del impulsor 85 tiende a forzar al fluido hacia fuera de forma radial a la parte inferior de la cavidad 323 y alejándose de la siguiente abertura 370 de la junta que está dispuesta hacia dentro de forma radial de la anterior abertura 370 de junta. Este procedimiento continúa según pasa el flujo 385 por cada diente 320 hasta que el flujo 385 sale finalmente de la junta 280 de laberinto con una presión que solo es ligeramente mayor que la presión atmosférica (o la presión ambiental del sistema 10 de compre-
sión).

Un flujo de aire 390 de refrigeración pasa a través del motor 15 y los cojinetes 55, 60 y entra en el espacio entre el impulsor 85 y el alojamiento 265 de soporte de cojinete. El aire 390 de refrigeración también se encuentra a una presión ligeramente superior a la presión atmosférica (o presión ambiental) y preferentemente a una presión ligeramente superior a la presión del flujo 385 de escape que sale de la junta 280 de laberinto. Los dos flujos 385, 390 se mezclan y salen del sistema por medio de un respiradero 395 formado en el alojamiento 50. Al mantener el aire 390 de refrigeración a una presión ligeramente superior al flujo 385 de escape, el sistema 10 inhibe el flujo 385 no deseado de flujo de escape caliente al motor 15. Además, se mantiene el espacio de holgura entre el impulsor 85 y el alojamiento 265 de soporte de cojinete a un valor pequeño para inhibir adicionalmente el paso del flujo de escape caliente 385 a los cojinetes 55, 60 y al motor 15.

La colocación de la extensión 200 también ayuda a equilibrar el esfuerzo axial producido por el impulsor 85 durante su operación. La Fig. 10 ilustra un impulsor 400 de la técnica anterior que incluye una disposición estándar de junta en el eje. Se emplean generalmente obturadores para ejes dado que el área de flujo en el eje para una holgura radial dada es menor que el área de flujo para la misma holgura radial con un mayor diámetro. Durante el funcionamiento, el borde anterior más interno del impulsor 400 está expuesto a una presión que es ligeramente superior a la presión de entrada del impulsor 400. La presión aumenta de forma sustancialmente lineal según se mueve el flujo a lo largo del impulsor. En la salida del impulsor (exductor) la presión se encuentra a su mayor nivel (antes del paso a través del difusor y la voluta). Por lo tanto, la porción frontal del impulsor 400 está expuesta a un gradiente 405 de presión que aumenta con una distancia radial desde el eje de giro.

Una porción del fluido a presión elevada que sale del impulsor 400 fluye en torno al diámetro externo del impulsor 400 hasta la porción trasera. No hay ningún mecanismo, excepto los obturadores para ejes en la porción trasera del impulsor 400 de la técnica anterior para reducir la presión del flujo de escape. Como tal, la porción trasera completa está expuesta al fluido a presión elevada. Por lo tanto, la cara trasera está sometida a un gradiente 410 de presión sustancialmente uniforme a través de toda el área. Esto tiene como resultado una fuerza neta de empuje hacia la entrada según se indica por medio de la flecha 415.

Con referencia a la Fig. 11, se ilustra el presente impulsor 85 de forma comparativa. La presión y el gradiente 420 de presión aplicados al lado frontal 182 del impulsor 85 son sustancialmente los mismos que los del impulsor 400 de la técnica anterior de la Fig. 10. Sin embargo, la posición de la extensión 200 produce un gradiente 425 de presión distinto en el lado trasero 184. Como puede verse, se aplica el escape de presión elevada únicamente a la primera porción anular 235 dispuesta de forma radial fuera de la extensión 200. Se reduce el nivel de presión según pasa el flujo a través de la junta 280 de laberinto, de forma que se aplica una presión mucho menor (casi atmosférica o ambiental) al resto del lado trasero 184 del impulsor 85. Aunque el empuje axial neto, según se indica por medio de la flecha 430, sigue siendo hacia el rodete 155, se reduce mucho la magnitud del empuje. El empuje reducido permite el uso de un cojinete de empuje menor que consume menos energía y es menos susceptible a un calentamiento excesivo.

Aunque la construcción ilustrada emplea una extensión 200 colocada para mantener la dirección del empuje axial neto según se ilustra en las Figuras 10 y 11, debería ser inmediatamente evidente que se podría cambiar la posición de la extensión 200 para ajustar e invertir potencialmente el esfuerzo axial si se desea.

Se debe hacer notar que otras disposiciones del sistema 10 de compresión pueden estar expuestas o ser operadas con regímenes de presión distintos del atmosférico. Por ejemplo, los sistemas de compresión de múltiples etapas pueden emplear etapas en las que la salida de la junta 280 de laberinto se encuentra a una presión que es mucho mayor que la presión atmosférica. Como tal, la invención no debería estar limitada a los valores de presión dados a conocer en el presente documento.

Por lo tanto, la invención proporciona, entre otros, un sistema compresor 10 que incluye un impulsor 85 y un anillo estacionario 270 de junta que definen un sistema de junta dispuesto para mejorar el rendimiento del sistema 10 de compresión. En las siguientes reivindicaciones se exponen diversas características y ventajas de la invención.

Claims (6)

1. Un compresor centrífugo (20) que comprende:

un impulsor (85) que define un diámetro exterior y que puede girar en torno a un eje para proporcionar un flujo de fluido comprimido, pasando una porción del fluido comprimido en torno al diámetro exterior para definir un flujo de escape;

una extensión (200) que se extiende desde el impulsor (85) que incluye una primera porción (215) de junta; y

un anillo estacionario (270) de junta que incluye una segunda porción (275) de junta,

caracterizado porque la primera porción (215) de junta tiene una pluralidad de escalones (250) en una dirección del flujo de escape, teniendo el primero de la pluralidad de escalones (250) un primer diámetro, siendo el diámetro de cada escalón subsiguiente menor que un escalón adyacente corriente arriba; y

la segunda porción (275) de junta tiene una pluralidad de dientes (320), dispuesto cada diente (320) adyacente a uno de la pluralidad de escalones (250) para definir una pluralidad de puntos de junta que inhiben el paso del flujo de escape.

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2. El compresor centrífugo (20) de la reivindicación 1, en el que el número de escalones (250) es sustancialmente igual al número de dientes
(320).

3. El compresor centrífugo (20) de cualquier reivindicación precedente, en el que cada diente (320) tiene una punta (335) que define un diámetro de la punta y en el que se reducen los diámetros de punta de los dientes (320) en la dirección del flujo de escape, de forma que cada punta (335) de diente coopera con un escalón adyacente (250) para definir un hueco sustancialmente uniforme.

4. El compresor centrífugo (20) de cualquier reivindicación precedente, en el que cada escalón (250) incluye una primera porción (260) que se extiende generalmente de forma radial y una segunda porción (255) que se extiende generalmente de forma
axial.

5. El compresor centrífugo (20) de cualquier reivindicación precedente, en el que cada diente (320) se extiende desde el anillo estacionario (270) de junta en una dirección que tiene tanto un componente axial como un componente radial.

6. El compresor centrífugo (20) de cualquier reivindicación precedente, en el que la pluralidad de escalones (250) y la pluralidad de dientes (320) cooperan para definir un diámetro medio de la junta que es mayor o igual que aproximadamente el 50 por ciento del diámetro exterior.