ES2458546T3 - Turbomáquina con una carcasa con una mayor estanquidad - Google Patents

Turbomáquina con una carcasa con una mayor estanquidad Download PDF

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Abstract

Turbomáquina (1) con - una carcasa (2), - al menos una hélice (3) por fuera de la carcasa (2), - un árbol de hélice (4) que está acoplado a la hélice, en donde el árbol de hélice (4) está montado dentro de la carcasa (2) y a través de una abertura de paso (5) es guiado hacia fuera de la carcasa (2), - un engranaje (6), que está acoplado al árbol de hélice (4), en donde el engranaje (6) está dispuesto dentro de la carcasa (2) y comprende una caja de engranaje (7), - una junta de árbol (9), que obtura la abertura de paso (5) contra una entrada de líquido en la carcasa (2), caracterizada porque la caja de engranaje (7) está rellena al menos en parte de un líquido de engranaje (8) y porque la junta de árbol (9) hace contacto con la caja de engranaje (7) o está integrada en la caja de engranaje (7).

Description

Turbomáquina con una carcasa con una mayor estanquidad
La invención se refiere a una turbomáquina conforme al preámbulo de la reivindicación 1; se conoce una turbomáquina de este tipo por ejemplo mediante el documento EP 1 972 545 A1.
El documento EP 1 972 545 A1 se considera el estado de la técnica más próximo y hace patente una turbomáquina, que se usa como accionamiento tipo pod para un barco. La turbomáquina comprende una carcasa submarina que está dispuesta en el casco del barco, una hélice que está dispuesta por fuera de la carcasa, y un árbol de hélice que se asienta sobre la hélice. El árbol de hélice está montado en la carcasa. La carcasa presenta una abertura de paso, a través de la cual el árbol de hélice es guiado hacia fuera de la carcasa. Dentro de la carcasa está dispuesto un engranaje en forma de un engranaje planetario, que está acoplado al árbol de hélice y presenta una caja de engranaje. Una junta de árbol obtura la abertura de paso contra una entrada de líquido en la carcasa. El engranaje está distanciado con ello de la junta de árbol.
El accionamiento del árbol de hélice, respectivamente de la hélice a través del engranaje, se realiza mediante una instalación de motor de accionamiento, que contiene por ejemplo un motor eléctrico. Este motor eléctrico puede estar dispuesto en el interior de la carcasa o por fuera de la carcasa en el casco del barco. En el caso de una disposición en el casco del barco el accionamiento del árbol de hélice, respectivamente de la hélice, se realiza a través de un árbol vertical que es guiado desde el casco del barco hasta la carcasa, y un engranaje de corona dentada-cónico dispuesto entre el engranaje y el árbol vertical.
Con la solución descrita anteriormente se obtiene ya un elevado grado de estanquidad de la turbomáquina. Sin embargo, durante el funcionamiento de la turbomáquina se aplica a la junta de árbol una diferencia de presión relativamente elevada entre el líquido situado por fuera de la turbomáquina (por ejemplo agua marina) y el espacio interior relleno normalmente de aire. Aparte de esto, la junta se calienta a causa del rozamiento con el árbol que gira. Esto conduce a elevadas cargas mecánicas y térmicas sobre la junta de árbol, que en caso extremo podrían conducir a una falta de estanquidad de la junta y de este modo a una entrada de líquido en la carcasa.
Por ello la tarea de la invención consiste, en el caso de una turbomáquina conforme al preámbulo de la reivindicación 3, en aumentar todavía más la estanquidad. Aparte de esto la tarea de la presente invención consiste en indicar unas utilizaciones especialmente ventajosas de una turbomáquina de este tipo.
La solución de esta tarea se consigue mediante una turbomáquina conforme a la reivindicación 1. El objeto de las reivindicaciones subordinadas 2 a 10 son unas configuraciones ventajosas. El objeto de las reivindicaciones 11 a 13 son unas utilizaciones especialmente ventajosas de la turbomáquina conforme a la invención.
Conforme a la invención la caja de engranaje está rellena al menos en parte de un líquido de engranaje y la junta de árbol hace contacto con la caja de engranaje o está integrada en la caja de engranaje. A través del contacto térmico directo que se produce a causa de esto entre la junta y el líquido de engranaje puede transmitirse calor, de forma especialmente fácil, desde la junta al líquido de engranaje. El calor de la junta puede de ste modo evacuarse mejor que con el aire situado en el interior de la carcasa, si el engranaje está distanciado de la junta de árbol. Por medio de esto puede mejorarse la carga térmica sobre la junta y reducirse el riesgo de faltas de estanquidad.
Además de esto se reduce la diferencia de presión existente sobre la junta de árbol y de este modo la carga mecánica sobre la junta, con lo que también se reduce el riesgo de faltas de estanquidad de la junta.
En el caso de una disposición de la máquina eléctrica dentro de la carcasa de la turbomáquina se garantiza asimismo que, en el caso de una junta de árbol defectuosa, un líquido que entre desde fuera en la carcasa, por ejemplo agua marina, no incida directamente en la máquina eléctrica, sino primero en el engranaje. Por medio de esto la máquina eléctrica puede protegerse mejor contra un líquido que entre.
No hay que olvidar que mediante la invención puede reducirse la extensión de la turbomáquina en la dirección del árbol de hélice, lo que en algunos casos aplicativos puede conducir a una mejor forma hidrodinámica de la turbomáquina.
El engranaje puede estar configurado como un engranaje de una o varias etapas. Asimismo el engranaje puede estar configurado como un engranaje mecánico, en especial un engranaje planetario, en donde en el caso del líquido de engranaje puede tratarse de un lubricante. El engranaje puede estar configurado también como un engranaje hidráulico, en especial como un engranaje hidrodinámico, en donde en el caso de un líquido de engranaje puede tratarse después de un líquido de servicio del engranaje.
El engranaje puede estar acoplado a otra máquina, como por ejemplo una máquina eléctrica o un motor de combustión interna.
El engranaje está acoplado de forma preferida a una máquina eléctrica, que también esté dispuesta dentro de la carcasa de la turbomáquina.
En el caso de acoplamiento a una máquina eléctrica es posible una forma especialmente ventajosa hidrodinámicamente de la carcasa, por medio de que el engranaje esté configurado de tal modo que, durante el funcionamiento de la turbomáquina, el número de revoluciones de la máquina eléctrica sea mayor que el número de revoluciones del árbol de hélice (por ejemplo 4 a 5 veces el número de revoluciones de la hélice). Como máquina eléctrica puede usarse después una máquina de funcionamiento rápido, que tenga unas dimensiones menores que una máquina que funcione con el número de revoluciones de la hélice. Esto es aplicable en especial si se utiliza la turbomáquina como una instalación de accionamiento para una instalación que se desplace sobre o bajo el agua.
La máquina eléctrica puede estar configurada con ello como un motor eléctrico, que accione la hélice. Como motores eléctricos son posibles los más diferentes motores eléctricos, como por ejemplo motores sincrónicos o asincrónicos, que pueden estar excitados por imanes permanentes o un sistema de devanado, en donde estos también pueden estar ejecutados en técnica HTS (superconductividad de alta temperatura).
Sin embargo, la máquina eléctrica también puede estar configurada como un generador que es accionado por la hélice.
En una configuración constructivamente especialmente sencilla, al menos una parte de la propia caja de engranaje forma ya una parte de la turbomáquina. Por medio de esto pueden reducirse el peso y las dimensiones de la turbomáquina.
Si se utiliza un motor eléctrico dispuesto en el interior de la carcasa, éste comprende para su protección de forma preferida una caja de motor.
Para reducir todavía más el peso y las dimensiones de la turbomáquina, al menos una parte de la caja de motor puede formar parte de la carcasa de la turbomáquina.
Si la caja de motor hace contacto con la caja de engranaje, el motor puede protegerse especialmente bien contra el líquido que entre en la carcasa.
De forma especialmente ventajosa se realiza una refrigeración de la máquina eléctrica mediante una transmisión de calor, a través de la carcasa de la turbomáquina, a un líquido por fuera de la carcasa.
Una turbomáquina conforme a la invención puede presentar, en su lado alejado de la hélice, otra disposición conforme a la invención ilustrada anteriormente de una hélice, un árbol de hélice, una junta de árbol y un engranaje, en donde el árbol de hélice, respectivamente la hélice, puede estar acoplado(a) a la misma máquina eléctrica o a una segunda máquina eléctrica. Las dos hélices pueden rotar con ello en el mismo sentido o también en sentido contrario, en donde las velocidades de giro pueden ser iguales o también diferentes. En una disposición de este tipo con dos engranajes y dos hélices se reparten las cargas mecánicas, con una potencia de accionamiento constante, entre dos engranajes, de tal modo que estos pueden diseñarse más pequeños.
Si la carcasa de la turbomáquina está formada en parte por la caja de engranaje y la caja de motor, la turbomáquina puede estar estructurada ventajosamente de forma modular con al menos uno o dos módulos de hélice, uno o dos módulos de engranaje y uno o dos módulos de motor. Los módulos pueden proporcionarse con ello mediante un sistema por unidades operadoras modular, que comprende módulos de engranaje, módulos de motor y módulos de hélice de diferentes clases y características de potencia, relaciones de multiplicación, velocidades de giro, sentidos de giro, etc.
Una turbomáquina puede estar después compuesta por ejemplo, según sea necesario, por los siguientes módulos que se colocan unos junto a otros en la secuencia indicada:
-
un módulo de motor, un módulo de engranaje y un módulo de hélice de tracción
-
un módulo de hélice de presión, un módulo de engranaje y un módulo de motor,
-
un módulo de hélice de presión, un primer módulo de engranaje, un motor de motor, un segundo módulo de engranaje y un módulo de hélice de tracción, en donde el motor del módulo de motor acciona ambos engranajes, respectivamente ambas hélices,
-
un módulo de hélice de presión, un primer módulo de engranaje, un primer módulo de engranaje, un primer módulo de motor, un segundo módulo de motor, un segundo módulo de engranaje y un módulo de hélice de tracción, en donde el motor del primer módulo de motor acciona el engranaje del primer módulo de engranaje, respectivamente la hélice de presión y el motor del segundo módulo de motor el engranaje del segundo módulo de engranaje, respectivamente la hélice de tracción.
Una utilización especialmente ventajosa de la turbomáquina conforme a la invención estriba en una instalación de accionamiento para una instalación que se desplaza sobre o baja el agua, como por ejemplo un barco o una plataforma en alta mar, en donde la turbomáquina está fijada, de forma preferida con posibilidad de giro horizontal y/o vertical, a un casco de la instalación que se desplaza sobre o bajo el agua.
Asimismo la turbomáquina puede utilizarse ventajosamente como una bomba, un ventilador o un compresor.
Aparte de esto la turbomáquina puede utilizarse como una turbina, en especial para generar corriente en el caso de una instalación que se desplace sobre o bajo el agua, en una central hidrodinámica o maretomotriz o bien en una instalación eólica.
A continuación se explican con más detalle la invención así como otras configuraciones ventajosas de la invención, conforme a particularidades de las reivindicaciones subordinadas, con base en ejemplos de ejecución en las figuras; con ello muestran:
la figura 1 una turbomáquina con una junta de árbol integrada en una caja de engranaje,
la figura 2 la turbomáquina de la figura 1 con un árbol vertical (ejecución en L),
la figura 3 la turbomáquina de la figura 1 con una junta de árbol que hace contacto con una caja de engranaje.
La figura 1 muestra en una representación simplificada y esquemática un corte longitudinal parcial a través de una turbomáquina 1, que se usa como instalación de accionamiento para una instalación que se desplace sobre o bajo el agua, como por ejemplo un barco o una plataforma en alta mar y está fijada para esto, de forma giratoria alrededor de un eje A, al casco 10 de la instalación que se desplaza sobre el agua. Una instalación de accionamiento de este tipo se designa con frecuencia también como hélice de timón o accionamiento de pod, y tiene habitualmente una potencia de accionamiento de 0,5 – 10 MW.
La turbomáquina 1 comprende una carcasa submarina 2 configurada de forma optimizada hidrodinámicamente, que está dispuesta en el casco 10 del barco, una hélice 3 que está dispuesta por fuera de la carcasa 2 y un árbol de hélice 4 sobre el que se asienta la hélice 3. El árbol de hélice 4 está montado con ello giratoriamente mediante cojinetes 12 dentro de la carcasa 2 y es guiado, a través de una abertura de paso 5, hacia fuera de la carcasa 2.
Un engranaje planetario 6 está acoplado al árbol de hélice 4 y comprende una caja de engranaje 7, que está rellena de un líquido de engranaje 8 en forma de aceite o de otro lubricante. La caja de engranaje 7 forma con su superficie periférica una parte de la superficie periférica de la carcasa 2 de la turbomáquina. Tanto la abertura de paso 5 como la junta de árbol 9 son de este modo componentes integrales de la caja de engranaje 7.
En la abertura de paso 5, para el árbol de hélice 4 giratorio a través de la carcasa 2, una junta de árbol 9 obtura la abertura de paso 5 contra una entrada de líquido desde el exterior de la carcasa 2 a un espacio interior de la carcasa
2.
Mediante el contacto térmico directo entre la junta 9 y el líquido de engranaje 8 puede transmitirse de forma especialmente sencilla calor desde la junta 9 al líquido de engranaje 8, con lo que se reduce la carga térmica sobre la junta y de este modo el riesgo de daños.
Entre el agua marina, que circula alrededor de la carcasa 2 de la turbomáquina 1, y el líquido de engranaje 8 existe solamente una reducida diferencia de presión, con lo que se reducen la carga mecánica sobre la junta 9 y de este modo también el riesgo de daños a la junta 9.
Dentro de la carcasa 2 se encuentra una máquina eléctrica en forma de un motor eléctrico 11 para accionar la hélice 3, en donde el motor eléctrico 11 está acoplado mediante el engranaje 6 al árbol de hélice 4, respectivamente a la hélice 3.
El motor eléctrico 11 comprende una caja de motor 13, en donde la superficie periférica de esta caja 13 forma una parte de la superficie periférica de la carcasa 2 de la turbomáquina 1.
La caja de engranaje 7 hace con ello contacto con la caja de motor 13, de tal modo que el motor eléctrico 11 está bien protegido contra un líquido que entre a través de la abertura de paso 5 en el interior de la carcasa 2.
El motor eléctrico 11 está configurado como una máquina de funcionamiento rápido, en donde el engranaje planetario 6 está configurado de tal modo que, durante el funcionamiento de la turbomáquina 1, el número de revoluciones de la máquina eléctrica 11 es mayor que el número de revoluciones del árbol de hélice 4 (por ejemplo de 4 a 5 veces el número de revoluciones de la hélice).
De forma especialmente ventajosa, una refrigeración del motor eléctrico 11 se realiza al menos en su mayor parte mediante una transmisión de calor, a través de la carcasa 2 de la turbomáquina 1, al agua marina por fuera de la turbomáquina 1.
El motor eléctrico 11 y el engranaje 6 están encapsulados de forma preferida y, de este modo, protegidos especialmente bien contra influencias desde el exterior.
La figura 2 muestra la turbomáquina 1 de la figura 1, en donde sin embargo no se encuentra ningún motor eléctrico en el interior de la carcasa 2. En lugar de ello el árbol de hélice 3 está acoplado a través del engranaje 6 a un árbol vertical 21 (disposición en L), que está acoplado a un motor eléctrico no mostrado con más detalle, que está dispuesto en el interior del casco del barco 10. Con ello, para la transmisión de fuerza entre el árbol de hélice 4 y el árbol vertical 21, está dispuesto un engranaje de corona dentada-cónico 22 entre el engranaje planetario 6 y el árbol vertical 21.
La figura 3 muestra la turbomáquina 1 de la figura 1 con una junta de árbol 9 integrada en la carcasa 2 y en contacto con la caja de engranaje 7, en lugar de con una junta de árbol integrada en la caja de engranaje 7. También en el caso de una configuración de este tipo puede transmitirse de forma especialmente sencilla calor desde la junta 9 al líquido de engranaje 8, así como hacerse posible una diferencia de presión sólo relativamente reducida sobre la junta, con lo que se consiguen las ventajas explicadas con relación a la figura 1. La caja de engranaje 7 se compone aquí de forma preferida de un material especialmente conductor térmicamente.
Las turbomáquinas 1 de las figuras 1 – 3 pueden presentar, en su lado alejado de la hélice 3, en cada caso otra disposición conforme a la invención ilustrada anteriormente de una hélice, un árbol de hélice, una junta de árbol y un engranaje, en donde el árbol de hélice, respectivamente la hélice, puede estar acoplado(a) a la misma máquina eléctrica 11 o a una segunda máquina eléctrica. Las dos hélices pueden rotar con ello en el mismo sentido o también en sentido contrario, en donde las velocidades de giro pueden ser iguales o también diferentes.
Las turbomáquinas 1 de las figuras 1 – 3 están estructuradas de forma modular con un módulo de hélice de presión 23, un módulo de engranaje 24, un módulo de motor 25 y un módulo de caperuza terminal 26. Los módulos 23 - 26 forman con ello parte de un sistema por unidades operadoras modular, que comprende módulos de engranaje, módulos de motor y módulos de hélice de diferentes clases y características de potencia, relaciones de multiplicación, velocidades de giro, sentidos de giro, etc.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Turbomáquina (1) con
    -
    una carcasa (2),
    -
    al menos una hélice (3) por fuera de la carcasa (2),
    -
    un árbol de hélice (4) que está acoplado a la hélice, en donde el árbol de hélice (4) está montado dentro de la carcasa (2) y a través de una abertura de paso (5) es guiado hacia fuera de la carcasa (2),
    -
    un engranaje (6), que está acoplado al árbol de hélice (4), en donde el engranaje (6) está dispuesto dentro de la carcasa (2) y comprende una caja de engranaje (7),
    -
    una junta de árbol (9), que obtura la abertura de paso (5) contra una entrada de líquido en la carcasa (2),
    caracterizada porque la caja de engranaje (7) está rellena al menos en parte de un líquido de engranaje (8) y porque la junta de árbol (9) hace contacto con la caja de engranaje (7) o está integrada en la caja de engranaje (7).
  2. 2.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 1, caracterizada porque el engranaje (6) está configurado como un engranaje planetario.
  3. 3.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el engranaje (6) está acoplado a una máquina eléctrica (11).
  4. 4.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 3, caracterizada porque la máquina eléctrica (11) está dispuesta dentro de la carcasa (2).
  5. 5.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 3 ó 4, caracterizada porque el engranaje (6) está configurado de tal modo que, durante el funcionamiento de la turbomáquina (1), el número de revoluciones de la máquina eléctrica (11) es mayor que el número de revoluciones del árbol de hélice (4).
  6. 6.
    Turbomáquina (1) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque al menos una parte de la caja de engranaje (7) forma una parte de la carcasa (2) de la turbomáquina (1).
  7. 7.
    Turbomáquina (1) según una de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizada porque la máquina eléctrica (11) comprende una caja de máquina (13), en donde al menos una parte de la caja de máquina (13) forma una parte de la carcasa (2) de la turbomáquina (1).
  8. 8.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 7, caracterizada porque la caja de máquina (13) hace contacto con la caja de engranaje (7).
  9. 9.
    Turbomáquina (1) según la reivindicación 3, caracterizada porque se realiza una refrigeración de la máquina eléctrica (11) mediante una transmisión de calor, a través de la carcasa (2) de la turbomáquina (1), al entorno por fuera de la turbomáquina (1).
  10. 10.
    Turbomáquina (1) según las reivindicaciones 6 y 7, caracterizada por una estructura modular con al menos uno o dos módulos de hélice (23), uno o dos módulos de engranaje (24) y uno o dos módulos de motor (25).
  11. 11.
    Utilización de la turbomáquina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 10 como una instalación de accionamiento para una instalación que se desplaza sobre o baja el agua, como por ejemplo un barco o una plataforma en alta mar, en donde la turbomáquina está fijada, de forma preferida con posibilidad de giro horizontal y/o vertical, a un casco (10) de la instalación que se desplaza sobre o bajo el agua.
  12. 12.
    Utilización de la turbomáquina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 10 como una bomba, un ventilador o un compresor.
  13. 13.
    Utilización de la turbomáquina (1) según una de las reivindicaciones 1 a 10 como una turbina, en especial para generar corriente en el caso de una instalación que se desplaza sobre o bajo el agua, en una central hidrodinámica o maretomotriz o bien en una instalación eólica.
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