ES2610222T3

ES2610222T3 - Junta circular de estanqueidad de cepillo

Info

Publication number: ES2610222T3
Application number: ES13759514.6T
Authority: ES
Inventors: Laurent Guimet; Frédéric Sauvinet; Olivier Constant; Philippe Reynaud; Christophe MENGELLE; Michel Lefrancois
Original assignee: Technetics Group France SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Technetics Group France SAS; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-09-10
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: BR112015005207A2; CA2884556A1; FR2995379A1; EP2893227A2; JP6235019B2; RU2623339C2; CN104603508B; WO2014037547A3; US9157531B2; CN104603508A; BR112015005207B1; JP2015529315A; WO2014037547A2; FR2995379B1; US20150226331A1; CA2884556C; PL2893227T3; EP2893227B1; RU2015113270A

Abstract

Junta circular de estanqueidad de cepillo compuesta, que comprende: - una caja circular compuesta por dos porciones engastadas, de las cuales una primera porción, denominada jaula (1), que comprende una parte cilíndrica (6) y una revuelta radial unida a la parte cilíndrica y que comprende una primera cara de apoyo (9) radial interna a la caja, y una segunda porción, denominada cuña (2), centrada sobre la parte cilíndrica (6), con una extensión radial y que comprende una segunda cara de apoyo (10) interna a la caja y frente a la primera cara de apoyo (9); - una estructura compuesta que consiste en un alma interna (24) a la caja y una red de cerdas dispuesta en un devanado (20) alrededor del alma (24) y que comprende dos cabos (21, 22) paralelos que salen de la caja entre la jaula (1) y la cuña (2); caracterizada porque: - la parte cilíndrica (6) y la cuña (2) tienen una interfaz (15) con una extensión radial de tope mutuo; - el devanado (20) está en contacto con las caras de apoyo (9, 10); y - las caras de apoyo (9, 10) están curvadas en forma de unas cubetas cóncavas, que tienen unos radios de curvatura al menos iguales al del devanado (20).

Description

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DESCRIPCION

Junta circular de estanqueidad de cepillo

La invencion se refiere a una junta circular de estanqueidad de cepillo, tradicionalmente utilizada para la estanqueidad entre dos compartimentos presurizados de un turborreactor (o de una turbomaquina).

Los turborreactores presentan unos compartimentos tubulares dentro de los cuales imperan diferentes presiones. A traves de estos compartimentos pasa un unico arbol de rotor. Con el paso del arbol entre dichos compartimentos, lo importante por lo tanto es garantizar la estanqueidad entre un estator (la estructura de los compartimentos) y un rotor (el arbol). A la vista de las condiciones extremas de este tipo de entorno (altas temperaturas, fuertes dilataciones diferenciales radiales entre el rotor y el estator), una tecnologia adaptada es la de la junta de cepillo, como por ejemplo en el documento WO 2010/063269. La junta de cepillo tiene un nivel de estanqueidad suficiente para dichas aplicaciones, puede soportar altas temperaturas si se construye con materiales adaptados y tiene una buena adaptabilidad a las dilataciones diferenciales radiales.

En el documento WO 2010/063269, la junta de cepillo esta constituida en seccion por una varilla central alrededor de la cual se enrollan de forma consecutiva la red de cerdas y una jaula en forma de C abierta en su diametro interior; esta jaula sirve para sujetar y proteger dicha red. En otra realizacion, presentada en el documento FR 2692019, la varilla central se sustituye por una junta de muelle rodeada por unas envolventes, a su vez descritas en el documento FR 2151186, que por su elasticidad garantiza un estrecho contacto entre la C y las superficies en contacto. Esto es especialmente interesante si la junta de cepillo esta entre dos trozos de compartimentos diferentes: garantiza por tanto la estanqueidad entre los dos trozos de compartimentos con respecto al medio exterior al turborreactor. Habitualmente, en esta realizacion, la C esta prolongada en su diametro interior por dos laminas paralelas que tienen como mision soportar la estructura de la red de cerdas hasta lo mas cerca del rotor, con el fin de evitar el erizado de la red en contacto con dicho rotor.

Los disenos que se ven en el documento WO 2010/063269 o en el documento FR 2692019 presentan un inconveniente comun: el cierre de la C debe llevarse a cabo segun los casos mediante estampacion o conformacion por estirado, procedimientos que dan por naturaleza unas tolerancias dimensionales amplias. Estas amplias tolerancias conllevan diversas limitaciones en la construccion del turborreactor.

En el documento EP-A-1203178, el inventor utiliza como base una construccion en la cual una junta de cepillo con varilla central y jaula en forma de C esta a su vez montada dentro de una caja en dos partes, garantizando de manera preferente un engaste la union entre las dos partes de dicha caja. Aunque esta caja engastada presenta la ventaja de tener unas tolerancias geometricas limitadas, tiene por el contrario el inconveniente de aumentar el tamano de este modulo de junta de cepillo, lo que la hace mas dificil de alojar en su entorno. Por otra parte, la altura de esta caja depende de la altura inicial de la C; por lo tanto, el problema de tolerancias amplias no se soluciona en lo que respecta a la altura.

Por ultimo, en el conjunto de estas construcciones, no se muestra ningun elemento que garantice de forma explicita la sujecion en rotacion de la junta de cepillo. Aquella se garantiza automaticamente por medio de una compresion axial. La perdida de dicha compresion en funcionamiento, debido por ejemplo a dilataciones diferenciales, implicaria por lo tanto una perdida de dicha sujecion en rotacion.

La invencion propone una construccion de junta de cepillo con unas tolerancias exteriores limitadas y con unas dimensiones reducidas. Para resumir, se trata de una junta de cepillo, de la cual se retira la estructura en forma de C alrededor de la red de cerdas, y en la cual la red de cerdas se inserta directamente dentro de una caja exterior, cerrada en principio mediante engaste. Por su construccion, esta junta permite garantizar la estanqueidad con respecto al exterior entre dos trozos de compartimentos diferentes que cinen dicha junta, y esto a pesar de la ausencia de la C. Tambien se puede integrar un sistema que permite la sujecion en rotacion de la junta dentro de su alojamiento.

La caja circular consta, en primer lugar, de una primera porcion, denominada “jaula”. En seccion, esta jaula comprende una parte cilindrica y una revuelta radial orientada hacia el interior o el exterior segun si la caja rodea el cepillo o si el cepillo rodea la caja; de este modo, esta seccion recuerda la forma de una “L” mayuscula.

La cara interna de dicha revuelta radial sirve de cara de apoyo a una estructura compuesta que comprende un alma central, alrededor de la cual se envuelve la red de cerdas de la junta de cepillo. La orientacion de los dos extremos de cada cerda es la misma que la de dicha revuelta radial (hacia el interior o el exterior). La estructura comprende al final dos diametros: un diametro compuesto por los extremos de las cerdas, a continuacion denominado “diametro de cepillo”, y otro en la zona de devanado alrededor del alma, a continuacion denominado “diametro liso”.

Una segunda porcion de la caja, denominada “cuna”, se inserta a continuacion dentro de la jaula inferior, centrada sobre la parte cilindrica de dicha jaula. La cara interna de esta cuna se apoya sobre dicha estructura compuesta. La posicion axial de esta cuna dentro de la jaula esta limitada por un contacto axial, por lo general metal-metal, entre

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dos superficies planas enfrentadas en cada una de las dos piezas. De hecho se tiene una tolerancia precisa sobre la altura de la caja. La posicion de este contacto se calcula tambien de manera que genere una ligera compresion de la estructura compuesta, lo que permite una buena sujecion mecanica de la red de cerdas, en particular gracias a la elasticidad del muelle que forma parte del alma, en algunas de las mejores realizaciones de la invencion. Esta compresion se hace mas fiable gracias a dicho contacto metal-metal, y la fuerza de reaccion del muelle se puede repetir de pieza en pieza. Esta reaccion elastica bien utilizada hace mas fiable el engaste con el paso del tiempo.

La cuna superior puede comprender en su cara externa a la caja una parte axialmente sobresaliente. El cierre de la caja se hace mediante engaste. La parte superior de la parte cilindrica se pliega sobre la parte sobresaliente, lo que garantiza la estanqueidad del engaste. De este modo se cierra una ruta de escape generada por la ausencia de estructura en forma de C alrededor de la red de cerdas. De forma paralela, se han optimizado las dimensiones por medio de la supresion de esta misma estructura en forma de C.

Un aspecto importante de la invencion consiste en la optimizacion de la geometria de las dos superficies de apoyo de dicha estructura compuesta. Tanto en la jaula como en la cuna, se perforan axialmente unas cubetas concavas sobre dichas revueltas radiales mas que optar por unas superficies de apoyo rectilineas. En seccion, estas tienen la forma de un arco. El centro de cada uno de los arcos esta, de manera preferente, situado en un diametro identico al diametro medio del alma. El radio de cada arco es igual o superior al radio mas grande de la red de cerdas, una vez esta enrollada sobre el alma. La presencia de estas cubetas permite un autocentrado de la estructura compuesta de otra forma que por su diametro liso, con un ajuste a las tolerancias poco precisas dentro de la caja. Las limitaciones de cizallamiento sobre la red de cerdas tambien se reducen. El soporte en rotacion de la red tambien se mejora, ya que la zona de contacto entre la red y las caras de apoyo solo es puntual, pero se extiende en una mayor anchura.

En un ensamblaje realizado con esta mejora, puede permitirse dejar una holgura entre el diametro liso de la estructura compuesta y el diametro frente a la jaula inferior, y hacerlo sin degradar por ello el centrado de la estructura compuesta dentro de la jaula. Esto permite durante el engaste evitar un contacto radial de la estructura compuesta con la jaula cuando se aplasta la junta. Un contacto de este tipo tendria como efecto aumentar de forma considerable la rigidez del alma cuando esta es elastica y flexible, conllevando por tanto un riesgo de rotura del engaste.

Una vez ensamblada la junta presenta dos superficies planas externas. Esto permite insertar si fuera necesario un dispositivo antirrotacion de la junta dentro de su alojamiento, como un agujero no pasante que permite recibir un pasador con una longitud superior a la profundidad de dicho agujero. Una vez ensamblado este pasador, este sobresaldra y estara listo para insertarse dentro de un agujero del alojamiento de la junta, para garantizar finalmente la sujecion en rotacion.

En una forma preferente de realizacion, tanto la cuna como la jaula comprenden cada una un labio con una protuberancia circular radial orientada en la misma direccion que los extremos de cerdas. Estas protuberancias cinen la red de cerdas y permiten sujetar la red de cerdas muy cerca de sus extremos (en la zona de contacto con el rotor) y, por lo tanto, evitar el erizado de dicha red durante el funcionamiento de la junta. Tambien se controla el espesor de la red de cerdas, gracias al contacto metal-metal anteriormente citado, lo que permite optimizar el rendimiento en estanqueidad del cepillo asi formado.

Estas protuberancias se pueden redondear en el extremo de la zona de contacto con las cerdas con el fin de limitar un cizallamiento y un riesgo de seccionamiento de estas, si se tienen que doblar axialmente contra dichas protuberancias.

El diametro liso de la caja (en el lado opuesto del cepillo) se puede mecanizar de manera que permita un zunchado dentro del alojamiento y de este modo se optimice la estanqueidad entre la junta y dicho alojamiento.

Por ultimo, en algunos casos, el alma se puede seleccionar bastante flexible para evitar una rigidez excesiva, teniendo como efecto impedir el engaste o aplastar en exceso las cerdas. Dicha alma flexible podria estar compuesta unicamente por una envolvente circular abierta con una seccion en forma de C, en lugar de dicha envolvente provista de un muelle de espiras.

Se mostraran otras ventajas y caracteristicas de la invencion con la lectura de la descripcion de una forma de realizacion de esta, dada a titulo de ejemplo meramente ilustrativo, en referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 representa una vista en seccion de dicha junta conforme con la invencion, aqui con un cepillo en su diametro interior;

- la figura 2 representa una vista en perspectiva de la junta de cepillo; y

- la figura 3 representa una vista en seccion tridimensional de la junta de cepillo.

La junta de cepillo representada es circular alrededor de un eje central 23. En primer lugar, comprende una jaula 1

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inferior (de acuerdo con la representacion escogida aqui para los dibujos). Comprende tambien una estructura compuesta, compuesta por una banda de cerdas 3 y por un alma 24. Esta ultima tiene aqui una seccion hueca y esta compuesta por un muelle 5 metalico de espiras, enrollado en bucle alrededor de la junta y por una envolvente 4 tambien metalica, con una seccion abierta en forma de C, que rodea y protege al muelle 5. Este tipo de juntas se conocen y se venden en particular con la marca HELICOFLEX®. La invencion las incorpora en algunas de sus realizaciones preferentes; son posibles otras realizaciones del alma, que comprenden por ejemplo solo la envolvente 4, lo que le da una mayor flexibilidad. La banda de cerdas 3 tiene una parte envolvente 20, enrollada alrededor del alma 24, y unas hebras 21 y 22 paralelas, dirigidas radialmente hacia el interior y responsables de la estanqueidad. El diametro mas grande del devanado 20 se llama “diametro liso” y se extiende, cuando la junta esta ensamblada, a poca distancia de una cara, interna a la caja, de una parte cilindrica 6 que constituye una primera parte de la jaula 1.

La caja se cierra mediante una cuna 2 superior y que se engasta en la caja 1. La parte cilindrica 6 consta para ello de una escotadura en su extremo superior, alrededor de la cual esta subsiste en forma de un labio 7 mas fino. La cuna 2 esta en contacto centrado con la parte cilindrica 6 de la jaula 1 mediante una interfaz periferica 6b de contacto entre su cara de mayor diametro y la cara interna del labio 7, asi como mediante una interfaz de tope 15 con una extension radial, de manera ventajosa perfectamente plana, entre su cara inferior y una cara plana que constituye el fondo de la escotadura de la parte cilindrica 6. El ajuste es bastante preciso para establecer la estanqueidad de la caja, gracias en particular a la planicidad de las caras que pertenecen a la interfaz de tope 15, y mas aun cuando la jaula 1 y la cuna 2 se construyen por lo general de metal y, por lo tanto, son rigidas.

Las caras internas de la caja estan enfrente una de la otra de la jaula 1 y de la cuna 2 se forman concavas, en cubetas 9 y 10, respectivamente, de manera que retengan la estructura compuesta. El devanado 20 tiene un diametro mayor que la distancia entre los fondos 16 y 17 de las cubetas 9 y 10. Las cubetas 9 y 10 son simetricas y tienen unos radios de curvatura al menos iguales, y aqui mas grandes, que el radio del devanado 20. Por ultimo, los centros de curvatura, asi como los fondos 16 y 17 de las cubetas 9 y 10 estan alineados con el centro de devanado 20 y del alma 24 para cada una de las secciones de la junta, y estan de preferencia a una misma distancia del eje central 23. Gracias a esta constitucion, la estructura compuesta se sujeta en una posicion conocida y repetitiva para cada seccion y cada junta construida de la misma forma, sujetandose el devanado 20 y el alma 24 en su sitio, estando ligeramente comprimidas en los fondos 16 y 17 de las cubetas 9 y 10. Estas se deforman aplanandose ligeramente, ocupando parcialmente las cubetas 9 y 10 y ensanchandose, en particular hacia la parte cilindrica 6. La holgura radial 18 entre el devanado 20 y la parte cilindrica 6 permite sin embargo una deformacion sin una limitacion excesiva de la estructura compuesta en el interior de la caja. Existe tambien una holgura enfrente de la caja, en el lado de los cabos 21 y 22. Esta compresion es posible en unas buenas condiciones por la flexibilidad y la elasticidad del alma 24 descrita aqui.

El cierre de la caja se hace mediante engaste, plegandose el labio 7 de la jaula 1 gracias a una herramienta sobre la cuna 2 cubriendo el borde su cara externa a la caja, opuesta a la cubeta 10. En la zona de recubrimiento, la cuna 2 esta conformada con dos porciones angulosas 8a y 8b de las cuales la ultima sobresale hacia el exterior en direccion al eje central (23) de la junta. Cuando se cierra el labio 7 sobre esta porcion sobresaliente, se garantiza la estanqueidad del engaste.

La jaula 1 comprende un agujero no pasante 19 en su cara externa, que esta destinado a recibir un pasador 27 con una longitud superior a la profundidad de este agujero y que, por lo tanto, sobresaldra. Este constituira un sistema de detencion en rotacion de la junta de cepillo dentro de su alojamiento.

La jaula 1 y la cuna 2 contienen cada una un labio, respectivamente 11 y 12, que protruye en los diametros interiores, y cuya funcion es sujetar los cabos 21 y 22 en su sitio cinendolos. La distancia entre los labios 11 y 12 viene definida por el tope en la interfaz 15, asi como la densidad de las cerdas de cepillo en esta zona activa. Los labios 11 y 12 presentan unos redondeados 13 y 14 en su arista adyacente a las cerdas con el fin de evitar el riesgo de cizallamiento si se flexionan durante su uso.

El diametro exterior 25 de la jaula 1 es una zona en la que debera garantizarse la estanqueidad con el futuro alojamiento de la junta. Por lo tanto, podra mecanizarse con una precision suficiente para permitir que se zunche dentro de este alojamiento.

La caja puede estar equipada con unos medios de estanqueidad en sus caras externas. La figura 1 ilustra que la realizacion propuesta aqui comprende unas cuchillas 28, que son unos labios de seccion triangular que se afilan hacia el extremo libre, saliendo de la cara externa, plana, de la jaula 1. Las cuchillas 28 son circulares, concentricas y se apoyan sobre una cara enfrente, plana tambien, 29 de la pieza 30 de soporte de la junta cuando esta esta montada. Y el diametro exterior 25 de la jaula 1 (cara periferica) puede comprender un labio flexible 31 que sobresale radialmente hacia el exterior y se apoya sobre una cara mandrilada 32 de la pieza 30.

La deformacion de estos relieves de la jaula 1 sobre la pieza 30 garantiza, por lo tanto, la estanqueidad de la junta evitando los escapes alrededor de esta. Unas juntas toricas dispuestas en los mismos puntos y alojadas dentro de unas ranuras de la jaula 1 tendrian el mismo efecto.

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REIVINDICACIONES

1. Junta circular de estanqueidad de cepillo compuesta, que comprende:

- una caja circular compuesta por dos porciones engastadas, de las cuales una primera porcion, denominada jaula (1), que comprende una parte cilindrica (6) y una revuelta radial unida a la parte cilindrica y que comprende una primera cara de apoyo (9) radial interna a la caja, y una segunda porcion, denominada cuna (2), centrada sobre la parte cilindrica (6), con una extension radial y que comprende una segunda cara de apoyo (10) interna a la caja y frente a la primera cara de apoyo (9);

- una estructura compuesta que consiste en un alma interna (24) a la caja y una red de cerdas dispuesta en un

devanado (20) alrededor del alma (24) y que comprende dos cabos (21, 22) paralelos que salen de la caja entre la

jaula (1) y la cuna (2);

caracterizada porque:

- la parte cilindrica (6) y la cuna (2) tienen una interfaz (15) con una extension radial de tope mutuo;

- el devanado (20) esta en contacto con las caras de apoyo (9, 10); y

- las caras de apoyo (9, 10) estan curvadas en forma de unas cubetas concavas, que tienen unos radios de curvatura al menos iguales al del devanado (20).
2. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque el alma (24) es metalica y con una seccion hueca.
3. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizada porque el alma esta compuesta por un muelle (5) de espiras y por una envolvente (4) con una seccion abierta que rodea el muelle.
4. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizada porque las cubetas tienen unos fondos separados por una distancia inferior a un diametro exterior libre del devanado en una posicion de ensamblado de la caja, subsistiendo una holgura entre el devanado (20) y la parte cilindrica (6).
5. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque las cubetas son simetricas y tienen unos fondos (16, 17) situados, al igual que un centro del alma y del devanado, a una misma distancia de un eje central de la junta.
6. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque la jaula y la cuna comprenden cada una un labio (11, 12), enmarcando los labios los cabos de cerdas al extenderse en paralelo entre estas y radialmente enfrente de la parte cilindrica (6).
7. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque la parte cilindrica consta de una escotadura cuyo fondo esta formado por la interfaz (15) con una extension radial de tope mutuo, y que esta delimitada por un labio (7) extremo de la parte cilindrica, estando la cuna (2) rodeada por el labio extremo y en contacto con este mediante una interfaz periferica (6b), estando el labio extremo curvado cubriendo un borde de una cara de la cuna que es opuesto a la segunda cara de apoyo y externo a la caja.
8. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizada porque la cuna tiene al menos una porcion angulosa (8b) en la interfaz periferica.
9. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizada porque la porcion angulosa sobresale en direccion a un eje central (23) de la junta.
10. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque la interfaz (15) con una extension radial de tope es plana.
11. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque la primera porcion de la caja consta de un agujero (19) no pasante de alojamiento de un pasador (27) de detencion en rotacion de la junta.
12. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque la caja consta de unos medios de estanqueidad externos.
13. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 12, caracterizada porque los medios de estanqueidad comprenden unos relieves sobresalientes.
14. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 13, caracterizada porque los relieves comprenden unas

cuchillas (28) con una seccion triangular.
15. Junta de cepillo de acuerdo con la reivindicacion 13, caracterizada porque los relieves comprenden un labio (31) deformable.