ES2959754T3 - Boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor - Google Patents
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Abstract
Se proporciona una boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor (100). La boquilla de entrada incluye un anillo de cubierta de boquilla (101), que comprende una cara (102), un conjunto de paletas de boquilla (105), en donde cada paleta de boquilla (105) comprende una cara (107), un conjunto de resortes de presión (112), y un juego de pernos de carga axial (113). Los pernos de carga axial (113) pueden configurarse para aceptar toda o al menos una parte de la fuerza que el conjunto de resortes de presión (112) induce entre el anillo de cubierta de la boquilla (101) y la cara de las paletas de la boquilla (105). ubicando así la primera cara de la paleta de la boquilla (105) a una distancia predeterminada de la cara del anillo de cubierta de la boquilla (101). La distancia predeterminada puede estar entre 0,02 y 0,04 mm. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor
Antecedentes
Recientemente ha aumentado el interés en la recuperación de energía a partir de gases a alta temperatura o alta presión. Sin embargo, los dispositivos disponibles no son lo más eficientes posible y adolecen de ciertas limitaciones que se comentan más adelante. Como cualquier gas a alta temperatura o alta presión es un recurso en potencia para la recuperación de energía, los expansores o turbinas o turboexpansores cargados con generadores se pueden diseñar a medida para recuperar una gran cantidad de energía útil disponible en el proceso.
Un campo en el que los turboexpansores desempeñan un papel es el de la recuperación del calor residual. El calor residual se puede convertir en energía útil con un generador turboexpansor solo o como un componente de un sistema más complejo. Las posibles fuentes de calor incluyen: gas de cola de hornos industriales o motores de combustión, vapor residual de hornos industriales o motores de combustión, vapor residual de procesos químicos y petroquímicos y calor solar de reflectores planos o parabólicos. Los gases de escape están calientes y pueden contener disolventes o catalizadores. Un expansor no solo puede recuperar energía y enfriar los gases de escape que se liberan a la atmósfera, sino que también puede separar disolventes o catalizadores.
Otro campo en el que los turboexpansores son útiles es la extracción de trabajo útil en aplicaciones de reducción de presión. En aplicaciones de reducción de presión, tal como la fusión de dos tuberías de transmisión a diferentes presiones o en la puerta de una ciudad de un sistema de distribución de gas, un generador turboexpansor puede reducir la presión de corrientes de gas de gran volumen y al mismo tiempo recuperar energía en forma de energía eléctrica. Por lo tanto, un expansor puede ser un sustituto rentable de otros equipos de regulación de presión, tal como válvulas de control y reguladores.
Un turboexpansor, también denominado turbo-expansor o turbina de expansión, es una turbina de flujo centrífugo o axial a través de la cual se expande un gas a alta presión para producir trabajo que a menudo se utiliza para impulsar un compresor. Debido a que se extrae trabajo del gas en expansión a alta presión, la expansión del gas se puede acercar a un proceso isentrópico (es decir, un proceso de entropía constante) y el gas de escape a baja presión de la turbina está a una temperatura baja, a veces tan baja como -90 °C o menos.
Debido a la baja temperatura generada, los turboexpansores se usan ampliamente como fuentes de refrigeración en procesos industriales tal como la extracción de etano y la formación de gas natural licuado (GNL) a partir de gas natural, la licuefacción de gases (tales como oxígeno, nitrógeno, helio, argón y criptón) y otros procesos a baja temperatura.
En la figura 1 y en la figura 2 se muestra un ejemplo representativo, pero no limitativo, de un turboexpansor, que es una reproducción de la patente de EE. UU. número 5.851104. La figura 1 muestra una disposición de boquilla variable en una turbina de flujo de entrada radial. Un anillo fijo109está colocado a un lado de la entrada anular114.El sistema de ajuste de la boquilla se proporciona en el mismo lado que la entrada anular114.Un anillo115de ajuste está dispuesto radialmente hacia fuera de un anillo fijo 109. El anillo115de ajuste es capaz de girar alrededor del anillo fijo 109 que se impide que gire mediante pasadores106de pivote de boquilla anclados en el anillo fijo109.
Las boquillas105de entrada están ubicadas alrededor de la entrada anular114.Estas paletas105se colocan entre el anillo fijo109y anillo115de ajuste en un lado y el anillo101de recubrimiento de boquilla en el otro. Las paletas105están configuradas para proporcionar una ruta de flujo optimizada entre ellas. Esta ruta puede aumentar o disminuir en el área de la sección transversal según la posición de giro de las paletas105.Las paletas105están montadas de manera pivotante alrededor de los pasadores106de pivote de boquilla. La posición relativa de las paletas105con respecto al anillo101de recubrimiento de boquilla se ilustra con la línea fantasma superpuesta en la figura 2. La rueda expansora118recibe la corriente de gas comprimido que se dirige a través de la entrada anular114y a través de paletas105.Esta corriente de gas comprimido se expande y hace que la rueda expansora118gire, produciendo de este modo trabajo.
En la patente de EE. UU. 5.851.104, el mecanismo de ajuste de boquilla incluye una leva y un mecanismo seguidor de leva. Los seguidores116de leva se desplazan lateralmente del eje de los pasadores106y se fijan mediante ejes en las paletas105,respectivamente, como se muestra en la figura 2. Los seguidores116de leva giran libremente sobre los ejes. Para cooperar con los seguidores116de leva, se disponen levas en forma de ranuras sesgadas117en el anillo115de ajuste (no se muestra en la figura 2). Tienen el tamaño adecuado para recibir a los seguidores116de leva de modo que permiten el movimiento giratorio libre a medida que se gira el anillo115de ajuste.
La disposición descrita anteriormente de las paletas105, los seguidores116de leva,las ranuras sesgadas117y el anillo115de ajuste hacen que la apertura de las paletas105sea linealmente dependiente de un giro del anillo115de ajuste. En otras palabras, un giro dado del anillo115de ajuste produce el mismo giro preestablecido de las paletas105independientemente de si las paletas105están cerca de una posición abierta, están en una posición abierta, están cerca de una posición cerrada o están en una posición cerrada. Este giro constante de las paletas105con el giro del anillo115de ajuste no permite ninguna sensibilidad variada en el ajuste de la posición de las paletas105.
El documento US2010/290895A1 divulga un dispositivo sobrealimentador que tiene un anillo de recubrimiento de boquilla y palas de boquilla separadas mediante un cordón radial. El documento US6314736B1 divulga un dispositivo sobrealimentador que usa la presión de un fluido de una red de aire comprimido a bordo para desarrollar una fuerza sobre el pistón anular para ajustar su posición con respecto a las palas. El documento US2009/257867A1 divulga un dispositivo sobrealimentador que tiene un espaciador colocado entre el anillo de montaje de la paleta guía y el anillo de recubrimiento de la paleta guía. El documento DE102012103412A1 divulga una boquilla para un turbocompresor donde la movilidad axial del anillo de recubrimiento de boquilla se consigue mediante un elemento de resorte y un espaciador garantiza una distancia constante entre las paletas guía y el anillo de recubrimiento asegurados entre sí por dicho espaciador.
En los turboexpansores tradicionales, un anillo de ajuste normalmente se desliza directamente sobre las paletas, lo que produce fricción y puede dañar parte del anillo de ajuste y/o las paletas. El mismo movimiento deslizante puede desgastar prematuramente el anillo de ajuste y/o las paletas. Un ejemplo específico, pero no limitativo, sería la boquilla expansora tipo ETB de Atlas Copco. Esta boquilla tiene el mismo diseño básico que el definido anteriormente y normalmente tiene poca fiabilidad. La industria observa una alta frecuencia de fallos causados por el atasco de las paletas guía de entrada (boquillas). Normalmente, después de un fallo de este tipo, se realiza una revisión total, pero dado que el diseño básico no ha cambiado, estas boquillas solo pueden funcionar durante un corto tiempo antes de que se pueda esperar otro fallo.
En consecuencia, ha surgido en la industria la necesidad de proporcionar una solución para evitar los problemas descritos anteriormente.
Sumario
Se presenta una boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor como se establece en la reivindicación 1. La distancia predeterminada puede ser de entre 0,02 y 0,04 mm.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 ilustra esquemáticamente la sección transversal de un turboexpansor típico tal como se conoce en la técnica anterior.
La figura 2 ilustra esquemáticamente detalles de las paletas guía de entrada (palas de boquilla) tal como se conocen en la técnica anterior.
La figura 3 ilustra esquemáticamente una sección transversal despiezada de un turboexpansor de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 4 ilustra esquemáticamente una sección transversal de un turboexpansor de acuerdo con una realización de la presente invención.
Descripción de las realizaciones preferidas
A continuación de describen realizaciones ilustrativas de la invención. Aunque la invención es susceptible a diversas modificaciones y formas alternativas, se han mostrado realizaciones específicas de la misma a modo de ejemplo en los dibujos y se describen en detalle en el presente documento. Debe entenderse, sin embargo, que la descripción en el presente documento de realizaciones específicas no pretende limitar la invención a las formas particulares divulgadas. El alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas.
Elementos de la figura:
100 = turboexpansor
101 = anillo de recubrimiento de boquilla
102 = cara de anillo de recubrimiento de boquilla
103 = primer orificio de pasador de pivote de anillo de recubrimiento de boquilla
104 = orificio de perno de carga axial de anillo de recubrimiento de boquilla
105 = boquillas de entrada
106 = pasadores de pivote de boquilla
107 = primera cara de boquilla
108 = segunda cara de boquilla
109 = anillo fijo
110 = cara del anillo fijo
111 = segundo orificio de pasador de pivote de anillo fijo
112 = resortes de presión de anillo fijo
113 = pernos de carga axial de anillo fijo
114 = entrada anular
115 = anillo de ajuste
116 = seguidores de leva
117 = ranuras sesgadas de boquilla
118 = rueda expansora
Con respecto a los problemas identificados anteriormente, después del análisis y las pruebas, se encontró que la causa principal de muchos fallos de la boquilla era la alta cantidad de fricción entre las partes móviles de la boquilla. Las diversas realizaciones de la invención propuesta reducen esta fricción, posiblemente a cero.
Como la intención de la presente invención es remediar estos problemas in situ, en las instalaciones de turboexpansores existentes, se debe mantener la mayor parte posible del diseño original. En la presente invención se utilizan pernos113de carga axial para reducir la precarga a cero.
Pasando a la figura 3, se proporciona una vista despiezada de una boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor100de acuerdo con una realización de la presente invención. La boquilla incluye un anillo101de recubrimiento de boquilla, en donde el anillo101de recubrimiento de boquilla comprende una cara102,un primer orificio103de pasador de pivote y un orificio104de perno de carga axial. La boquilla también incluye un conjunto de palas105de boquilla, en donde cada pala105de boquilla comprende un pasador106de pivote, una primera cara107y una segunda cara108.También se incluye un anillo fijo109,en donde el anillo fijo comprende una cara110y un segundo orificio111de pasador de pivote, un conjunto de resortes112de presión y un conjunto de pernos113de carga axial. El número de pernos113de carga axial dependerá del tamaño y diseño del turboexpansor, pero en una realización de la presente invención, puede haber 8 pernos113de carga axial.
Pasando a la figura 4, y en aras de la coherencia y la claridad, manteniendo los números de elementos de las figuras anteriores, los pernos113de carga axial están configurados para aceptar toda o al menos una parte de la fuerza que ejerce el conjunto de resortes112de presión entre el anillo101de recubrimiento de boquilla y la primera cara107de las palas105de boquilla. Y la primera cara107de la pala105de boquilla se encuentra a una distancia predeterminada de la cara102del anillo101de recubrimiento de boquilla. Como la fuerza de precarga generada por los resortes112de presión se ha reducido a cero, la segunda cara108de cada pala105de boquilla ya no está obligada a entrar en contacto con la cara110del anillo fijo109.
Los inventores descubrieron que surge una fuente importante de fricción a lo largo de las superficies de contacto del anillo101de recubrimiento de boquilla, la pala105de boquilla y el anillo fijo109.Esto da como resultado una fricción deslizante en las palas105de boquilla. La condición previa para la fricción por deslizamiento es la superficie de contacto (presión) "Fn", la rugosidad "p" y el deslizamiento. La fuerza de fricción para cada pala es F=Fn* p= De esta ecuación se desprende claramente que para reducir la fricción "F", se debe reducir la precarga "Fn" o la rugosidad de la superficie "p". En diversas realizaciones de la presente invención, se reduce la precarga "Fn".
La precarga que los resortes112de presión ejercen en las palas105de boquilla es F, como se indica en la figura 4. Los pernos113de carga axial se ajustan para reducir esta precarga tirando del anillo101de recubrimiento hacia la izquierda (como se indica en la figura 4) y, por lo tanto, lejos de las palas105de boquilla. Una vez que la precarga se ha reducido a cero, el ajuste adicional de los pernos113de carga axial produce un espacio entre el anillo101de recubrimiento de boquilla y las palas105de boquilla. Una vez que este espacio alcanza una distancia predeterminada, se establece. Esta distancia predeterminada puede ser de entre 0,02 y 0,04 mm.
Por tanto, la fricción entre el anillo101de recubrimiento de boquilla y las palas105de boquilla se ha reducido a cero. Además, la fricción entre las palas105de boquilla y el anillo fijo109se ha reducido a cero.
Claims (2)
1. Una boquilla de entrada de baja fricción para un turboexpansor (100), que comprende:
• un anillo (101) de recubrimiento de boquilla, en donde el anillo (101) de recubrimiento de boquilla comprende una cara (102),
• un conjunto de palas (105) de boquilla, en donde cada pala (105) de boquilla comprende una primera cara (107) de boquilla y una segunda cara (108) de boquilla,
• un conjunto de resortes (112) de presión, y
• un conjunto de pernos (113) de carga axial
en donde los pernos (113) de carga axial están configurados para aceptar toda la fuerza que el conjunto de resortes (112) de presión induce entre el anillo (101) de recubrimiento de boquilla y la primera cara (107) de cada una de las palas (105) de boquilla,
en donde los resortes (112) de presión están configurados para colocar una precarga en la primera cara (107) de cada una de las palas (105) de boquilla,
en donde los pernos (113) de carga axial son ajustables para reducir dicha precarga alejando el anillo (101) de recubrimiento de boquilla de la primera cara (107) de cada una de las palas (105) de boquilla, reduciendo de este modo la precarga a cero,
en donde, una vez que la precarga se reduce a cero, los pernos (113) de carga axial se pueden ajustar aún más para producir un espacio entre el anillo (101) de recubrimiento de boquilla y la primera cara (107) de cada una de las palas (105) de boquilla, ubicando de este modo la primera cara (107) de cada una de las palas (105) de boquilla a una distancia predeterminada de la cara (102) del anillo (101) de recubrimiento de boquilla.
2. La boquilla de entrada de baja fricción de la reivindicación 1, en donde la distancia predeterminada es de entre 0,02 y 0,04 mm.
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