ITMI951467A1 - Guarnizione a spazzola per turbomacchine, in particolare come guarnizione di rotore-statore - Google Patents

Description

spazio di pressione più elevata presenta fessure percorribili assialmente dalla corrente, con le quali la fessura assiale è sollecitata da un fluido ad alta pressione.

Descrizione del trovato

L'invenzione si riferisce ad una guarnizione a -spazzola secondo la definizione introduttiva della rivendicazione 1. Una siffatta guarnizione a spazzola è nota dalla domanda di brevetto tedesco non esaminata DE-OS 39 07 614. Nel caso noto il tubo di bloccaggio è vincolato in uno spazio anulare accordato sulla sua forma circonferenziale esterna, laddove le setole sono disposte di fronte ad angoli debolmente arrotondati, solamente rilevabili graficamente, della fessura del tubo; in relazione a ciò a partire dalla fessura longitudinale del tubo di bloccaggio le setole sono dapprima condotte direttamente attraverso una parte corta di una fessura circonferenziale assiale; secondo solamente la rappresentazione grafica nel caso noto la parte anteriore di parete forma — a partire dalla parte assiale corta della fessura circonferenziale — un allargamento di fessura repentino disposto davanti alle setole; solamente la parte posteriore di parete termina radialmente internamente in una zona vicina al rotore e forma una superficie di appoggio per le setole. Pertanto in tal caso le setole vengono forzate assialmente dal menzionato corto pezzo parziale della fessura circonferenziale, laddove esse da ivi si allargano assialmente a guisa di fascio, con estensione radiale crescente sul rotore. La pratica ha evidenziato il fatto che lungo gli angoli leggermente arrotondati, con raggi estremamente piccoli, sulla fessura longitudinale del tubo di bloccaggio vengono provocate compressioni parziali di bordo sulle setole, le quali portano ad una prematura usura delle setole; quest'ultimo aspetto in particolare in relazione all'impiego mirato di setole o fibre molto fini, rispettive estremamente sottili. L'origine di questa compressione di bordo è motivata da un punto di vista tecnico della fabbricazione da dimensionamenti dei componenti non rispettabili in modo estremamente preciso, come pure dal modo del fissaggio e dall'adattabilità (nucleo) della spazzola.

Nella nota guarnizione a spazzola è inoltre svantaggioso il fatto che pressioni differenziali comparabilmente elevate non possono essere padroneggiate con azione di tenuta in modo ineccepibile. Alle elevate pressioni differenziali le setole vengono portate prevalentemente in oscillazioni assiali. Queste oscillazioni vengono causate tra l'altro da parti o percentuali di fluido ad alta pressione secondarie e non controllate, parzialmente più o meno marcate. Queste percentuali o parti di fluido ad alta pressione defluiscono, sul lato trovantesi radialmente internamente (guarnizione primaria), nelle setole.

Queste menzionate oscillazioni delle setole portano ad un'usura delle rispettive parti di parete, in particolare radialmente internamente, lungo le superfici di fessura, ed in tal modo ad un'elevata suscettibilità di usura delle setole stesse, per cui viene nuovamente drasticamente ridotta la durata utile delle setole.

D'altro canto va considerato il fatto che le setole di una guarnizione a spazzola sono esposte, in relazione ad eccentricità dell'albero dovute al funzionamento, non solo a deviazioni circonferenziali delle setole, bensì anche a deviazioni assiali delle stesse. In relazione a ciò è difficoltoso, da un lato, evitare le oscillazioni menzionate precedentemente e, d'altro canto, è difficoltoso conferire alla spazzola un certo "accoppiamento di gioco", che diviene necessario per la compensazione di deformazioni elastiche delle setole.

Invero in una guarnizione a spazzola è di per sé già stato proposto di prevedere, nella zona circonferenziale radialmente esterna della parte di parete rivolta al lato di alta pressione, fori singoli, per aerare una tasca circonferenziale frontale — tra la parte di parete e le setole — . Questo accorgimento proposto si dimostra però come insufficiente per padroneggiare il problema delle oscillazioni evidenziato nella parte introduttiva.

Alla base dell'invenzione è posto il compito di indicare una guarnizione a spazzola del genere in questione, nota dalla menzionata DE-OS 39 07 614, nella quale le setole sono eseguite e disposte con pochissima usura, in particolare in relazione al padroneggiamento di elevate differenze di pressione, e viene creata una chiusura a tenuta ottimale.

Il compito posto è risolto, secondo l'invenzione, conformemente alla parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Le fessure attraversabili dalla corrente assialmente consentono che le setole siano sollecitate, come pacco di tenuta in direzione assiale e in direzione circonferenziale, sul lato dell'alta pressione con grande superficie in direzione circonferenziale e in direzione radiale dal fluido ad alta pressione attraverso la rispettiva fessura assiale piccola, il quale fluido ad alta pressione in corrispondenza dell'estremità radiale interna della piccola fessura assiale defluisce con una restante percentuale di fluido ad alta pressione nella guarnizione primaria e poi da quest'ultima in uno spazio di pressione più bassa.

Secondo l'invenzione la luce di fessura della piccola fessura assiale può essere calcolata sostanzialmente con 1/10 della larghezza massimale del pacco di setole.

Poiché alla guarnizione è adducibile, attraverso la rispettiva disposizione ed esecuzione delle fessure percorribili dalla corrente assialmente, una parte o percentuale sostanziale oppure la parte o percentuale sostanziale di fluido ad alta pressione attraverso un primo spazio e, da lì, attraverso la piccola fessura assiale, si possono impedire le rispettive vibrazioni o oscillazioni delle setole. Sulla fessura longitudinale del tubo di bloccaggio vengono realizzati raggi di piegatura comparabilmente grandi rispetto alle setole (rivendicazione 2), cosicché possono essere impedite le compressioni di bordo, evidenziate nella parte introduttiva, delle setole relativamente sottili.

In relazione a temperature e numeri di giri comparabilmente elevati è vantaggioso l'impiego di setole prodotte di carburo di silicio (rivendicazione 3). Queste si contraddistinguono per una estrema resistenza alle temperature ed all'usura. Le setole possono essere prodotte come fibre di carburo di silicio con diametri fino a 0,14 mm o un po' maggiori.

Con un pacco di setole a tenuta assialmente e in direzione circonferenziale viene inoltre creata in modo semplicissimo una supportazione affidabile sulla cassa formata da due parti di parete (rivendicazione 4).

Relativamente alla compensazione ottimale della spinta assiale originantesi e/oppure di eccentricità dell'albero formantesi da squilibri del rotore sono vantaggiose le conformazioni secondo le rivendicazioni 5, rispettivamente 6.

Le rivendicazioni da 7 fino a 10 si riferiscono a delle vantaggiose conformazioni ed alternative relativamente alla disposizione e all'esecuzione delle fessure percorribili dalla corrente. Disposte distribuite uniformemente sulla circonferenza (rivendicazione 7) è particolarmente vantaggioso (rivendicazione 8), che le fessure siano disposte in direzione circonferenziale, per esempio come fori oblunghi, guindi relativamente alla loro massimale estensione longitudinale circonferenziale trasversalmente, rispettivamente in posizione incrociata, ovvero in posizione obliqua scostantesi rispetto agli angoli di accostamento relativi delle setole.

In alternativa le fessure attraversabili dalla corrente assialmente possono essere disposte, come fori oblunghi conformati rettilinei, in modo uniforme sulla circonferenza tangenzialmente (relativamente al diametro esterno o al diametro interno della rispettiva parte di parete (rivendicazione 15).

Un'alternativa dell'invenzione sicura nel funzionamento ed agevole relativamente al montaggio risulta dalla rivendicazione 11.

Differenze di pressione estreme fra spazi da chiudere a tenuta possono essere padroneggiate vantaggiosamente mediante guarnizioni doppie secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 12 fino a 14.

L'invenzione è spiegata ulteriormente a titolo di esempio in base al disegno; in particolare:

la figura 1 mostra una sezione longitudinale mediana della guarnizione a spazzola nella associazione al rotore, rispettivamente ad un albero di una turbomacchina e qui per la chiusura a tenuta tra due spazi sollecitati a pressione in modo differente,

la figura 2 mostra una vista frontale della guarnizione a spazzola secondo la direzione di visione X della figura 1, mettendo in evidenza una prima esecuzione di fessura a guisa di foro oblungo in una parte di parete rivolta al lato di alta pressione, e qui in una parte di guarnizione in spaccato circonferenzialmente dai due lati,

la figura 3 mostra una vista frontale nel senso della figura 2, qui però a differenza delle figure l e 2 nel senso che viene impiegata una seconda esecuzione di fessura a guisa di foro oblungo sulla parte di parete rivolta verso il lato ad alta pressione,

la figura 4 mostra una guarnizione doppia, illustrata come sezione assiale, in rispettiva esecuzione secondo la figura 1, e con disposizione di guarnizione sfalsata assialmente e radialmente, rispettivamente a guisa di gradino, in relazione ad una cassa esterna ed al rotore, rispettivamente ad un albero della turbomacchina, e

la figura 5 mostra una guarnizione doppia, illustrata come sezione assiale, con guarnizioni inserite in serie e nella rispettiva esecuzione secondo le figure 1, 2 e 3, in cui, a differenza dalla figura 4, è prevista una associazione stirata assialmente rettilineamente tra superfici di accoppiamento della cassa e controsuper fici del rotore, rispettivamente di un albero di macchina.

La figura 1 mostra una guarnizione a spazzola per una turbomacchina che è eseguita come guarnizione di rotore-statore, e più precisamente per la chiusura a tenuta tra spazi RI, R2 sollecitati a pressione in modo diverso. In relazione a ciò le setole B sono circondate ad afferramento, su un nucleo 1 che si estende' sulla circonferenza, da un tubo di bloccaggio 2. Il tubo di bloccaggio 2 è serrato tra due parti di parete 3, 4 di una cassa di guarnizione in uno spazio anulare 5. Lo spazio anulare 5 si raccorda in una fessura circonferenziale U assiale tra due parti di parete, laddove le setole B sporgono da una fessura longitudinale 6 del tubo di bloccaggio 2. Le setole B sono guidate, attraverso la fessura circonferenziale assiale U, con la sua estremità radialmente interna, con azione di tenuta contro il rotore 7. Le setole B sono In grado di compensare eccentricità di rotore, rispettivamente d'albero, oppure squilibrature di rotore, e più precisamente mediante piegamento elastico. Le setole sono quindi in grado di compensare in modo ineccepibile anche variazioni estreme della fessura radiale. Inoltre le setole B formano un pacco di setole di tenuta in direzione assiale e in direzione circonferenziale, laddove le setole B sono disposte, per la maggior parte della loro estensione di lunghezza, tra le superfici di fessura parallele della fessura circonferenziale assiale U. Come si rileva inoltre dalla figura 1, il pacco di setole deve essere guidato con azione di tenuta nella fessura circonferenziale assiale U su una rispettiva superficie di fessura, qui quella destra. Rispetto alla rispettiva altra superficie di fessura il pacco di setole deve conformare una fessura assiale A. In relazione a ciò inoltre la parte di parete 3, rivolta verso lo spazio Ri di pressione Pi più elevata, presenta fessure 8 percorribili o attraversabili assialmente dalla corrente, con le quali la fessura assiale A viene sollecitata da un fluido ad alta pressione. Secondo le frecce F dunque una percentuale o parte di fluido ad altra pressione relativamente grande defluisce nella fessura assiale A, rispettivamente frontalmente al pacco di setole, in direzione verso la guarnizione primaria sul rotore. Tra l'estremità, trovantesi radialmente interna, della parte di parete 3 e la superficie del rotore 7 defluisce una parte o percentuale di fluido ad alta pressione restante secondo la direzione di freccia F' in direzione primaria. Pertanto dunque la guarnizione primaria sul rotore 7 viene alimentata da parti di fluido ad alta pressione secondo le direzioni di freccia F, rispettivamente F' . Dalla guarnizione primaria una percentuale di fluido ad alta pressione comune defluisce secondo la freccia F" nello spazio R2, nel quale domina una pressione (P2) sostanzialmente minore che nello spazio RI.

Nell'interesse di un'elevata stabilità o resistenza alle temperature ed all'usura le setole B dovrebbero essere prodotte di carburo di silicio, rispettivamente di fibre di carburo di silicio. Inoltre nella disposizione di guarnizione secondo la figura 1 è sostanziale il fatto che il tubo di bloccaggio 2 realizza la sua fessura longitudinale 6 su parti c, D ripiegate a forma di arco rispetto alle setole B. Le parti C, D ripiegate lasciano che si originino arrotondamenti di forma circolare relativamente grandi, per cui è evitato il pericolo di pressioni superficiali inammissibili sulle setole.

Come è inoltre rilevabile dalla figura 1, le parti ripiegate ad arco C, D presentano lembi L, con i quali il tubo di bloccaggio 2 è bloccato, sul diametro di tubo massimale in direzione assiale, all'interno dello spazio anulare 5 tra le due parti di parete 3, 4.

Inoltre dalla figura 1 si rileva il fatto che le setole B del pacco di setole, insieme con la fessura circonferenziale assiale U, sono accostate obliquamente assialmente relativamente al contorno di cerchio del nucleo 1, cilindrico nella sezione trasversale, rispetto alla superficie del rotore.

Dalla figura 2 è inoltre rilevabile il fatto che le setole B del pacco a spazzola sono accostate in direzione circonfrenziale, rispettivamente partendo da una linea di circonferenza comune sul nucleo 1, obliquamente uniformemente in modo continuo rispetto alla circonferenza esterna confinante del rotore 7 (figura 1). La posizione obliqua menzionata precedentemente delle setole B è contraddistinta, a titolo di esempio, in figura 2 mediante l'angolo cr, laddove questo angolo a va inteso come angolo di inclinazione delle singole setole, qui per esempio relativamente ad un piano centrale longitudinale M.

Secondo le figure 2 e 3 è inoltre rilevabile il fatto che le rispettive fessure 8, rispettivamente 8', percorribili dalla corrente assialmente, sono eseguite a guisa di foro oblungo, e che esse sono disposte secondo la lunghezza sulla circonferenza in una posizione di incrociamento o sovrapposizione relativa (figura 2) rispetto al rispettivo angolo di accostamento o inclinazione delle setole B, rispettivamente in una posizione obliqua scostantesi (figura 3). Secondo la figura 2 dunque le fessure 8 percorribili dalla corrente assialmente, sono eseguite, secondo la lunghezza, incurvate simmetricamente nella direzione circonferenziale, ed inoltre su due -raggi di curvatura differenti RA, RA', sono sfalsate relativamente l'una rispetto all'altra in modo uniforme sulla circonferenza. Secondo la figura 3 le rispettive fessure 8' percorribili assialmente dalla corrente sono eseguite rettilinee a guisa di foro oblungo, come pure sono disposte in posizioni oblique rispettivamente uniformi tangenzialmente relativamente alla superficie circonferenziale interna di forma circolare della parte di parete 3.

Dalla figura 1 si può del resto rilevare il fatto che la parte di parete 3, qui anteriore, contente le fessure 8, forma parti dello spazio anulare 5 e con bloccaggio assiale del tubo di bloccaggio 2 mediante saldatura (posizione S) è collegata con la parte di parete 4 restante come portaguarnizione. Al posto della menzionata saldatura S può essere previsto un collegamento ad avvitamento adatto, facilmente amovibile, della parte di parete 3 sulla rispettiva parte della parte di parete 4.

La figura 4 contraddistingue una guarnizione doppia in rispettiva esecuzione semplice secondo la figura 1, laddove relativamente alla seconda parte di guarnizione seguente la prima sono stati utilizzati gli indici di riferimento 1', 2' e così via. In figura 4 quindi le due guarnizioni sono disposte sfalsate assialmente e radialmente relativamente l'una rispetto all'altra , le rispettive guarnizioni primarie vengono eseguite su parti, scalate a gradino relativamente l'una rispetto all'altra, di un rotore R. Al posto del rotore R potrebbe per esempio essere posto alla base anche un portaguarnizione (rotante) scalato in modo corrispondente. In relazione ai menzionati scalamenti del rotore R le guarnizioni poggiano con le loro parti radialmente esterne delle parti di guarnizione 4, 4' su parti corrispondentemente scalate della cassa in modo solidale a rotazione in direzione circonferenziale ed assialmente. Sulla cassa G le rispettive due parti radialmente esterne delle parti di parete 4, 4' sono mantenute a distanza assialmente mediante un anello intermedio A. Le due parti, rispettivamente radialmente esterne, delle parti di guarnizioni 4, 4' sono posizionate e fissate assialmente sulla cassa mediante un anello di bloccaggio K. Inoltre, nella disposizione secondo la figura 4 le parti di parete 3 rispettivamente anteriori, ovvero lato a monte, presentano le fessure assiali nella configurazione secondo la figura 1, rispettivamente la figura 2.

Nella disposizione di guarnizione secondo la figura 4 si possono padroneggiare ottimalmente con azione di tenuta in particolare pressioni differenziali estreme (P1>P2) relativamente a spazi RI, rispettivamente R2, sollecitati fluidicamente in modo corrispondente. Pertanto nello spazio di pressione R2', scalato localmente e delimitato mediante le setole B, rispettivamente B', domina una pressione P3, la quale è < P1 nello spazio RI e > P2 nello spazio R2. La stessa relazione di pressione, oppure una rispettiva relazione di pressione per lo meno comparabile, può essere posta alla base nei rispettivi spazi della guarnizione doppia secondo la figura 5 in relazione agli spazi R1, rispettivamente R2', rispettivamente R2. Nella figura 5 si tratta di una guarnizione doppia, inserita in serie, nella rispettiva esecuzione secondo le figure 1, 2 e 3, in cui, a differenza dalla figura 4, è prevista una associazione stirata rettilinea tra rispettive superfici di sede o accoppiamento delle guarnizioni sulla cassa G e controsuperfici del rotore R, rispettivamente di un corrispondente albero di macchina.

Secondo l'invenzione, come invero non è ulteriormente rappresentato, nella guarnizione doppia secondo le figure 4 oppure 5 solamente la parte di parete 3, rivolta verso lo spazio Ri con la pressione di fluido massimale (PI), di una guarnizione può presentare le rispettive fessure assiali 8, rispettivamente 8*.

La fessura assiale A relativamente piccola, trattata in unione con la figura 1, può essere calcolata all'incirca con una larghezza o luce di fessura che ammonta a 1/10 della larghezza massimale delle setole sulla . fessura circonferenziale U.

Se non già precisate espressamente nelle rivendicazioni, le caratteristiche precedentemente descritte e/oppure illustrate graficamente, costituiscono parimenti parte componente dell'invenzione.

Claims (14)

1. Rivendicazioni 1. Guarnizione a spazzola per turbomacchine, in particolare come guarnizione di rotore-statore, tra spazi (RI, R2) sollecitati a pressione in modo diverso, nella quale guarnizione le setole (B), su un nucleo (1) estendentesi sulla circonferenza, sono afferrate da un tubo di bloccaggio (2), laddove le setole (B) sporgono da una fessura longitudinale (6) del tubo di bloccaggio (2) e sono condotte, con azione di tenuta, attraverso una fessura circonferenziale (U) assiale, contro il rotore (7), caratterizzata dal fatto che: - il tubo di bloccaggio (2) conforma la fessura longitudinale (6) su parti (C, D) ripiegate in forma di cerchio rispetto alle setole (B), - le setole (B) sono disposte, per la maggior parte della loro estensione longitudinale, tra superfici di fessura parallele della fessura circonferenziale (U) assiale, - le setole (B) nella fessura circonferenziale assiale (U) sono guidate con azione di tenuta su una rispettiva superficie di fessura, e rispetto alla rispettiva altra superficie di fessura conformano una fessura assiale (A), - una parte di parete (3), rivolta verso lo spazio (RI) di pressione più elevata, presenta fessure (8) attraversabili dalla corrente assialmente, con le quali le setole (B) sono sollecitate sulla fessura assiale (A) da un fluido ad alta pressione, - le fessure (8) e le setole (B) si intersecano in posizioni circonferenzialmente angolate relativamente tra loro.
2. 2. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che le setole (B) sono prodotte di carburo di silicio.
3. 3. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che le parti (C, D) ripiegate si raccordano in lembi di estremità (L), con i quali il tubo di bloccaggio (2) è bloccato sul diametro di tubo più grande in direzione assiale all'interno dello spazio anulare (5) tra due parti di parete (3, 4).
4. 4. Guarnizione a spazzola secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 1 fino a 3, caratterizzata dal fatto che le setole (B) della guarnizione a spazzola, insieme con la fessura circonferenziale assiale (U), relativamente al contorno di cerchio del nucleo (1) cilindrico nella sezione trasversale, sono accostate obliquamente assialmente rispetto alla superficie del rotore.
5. 5. Guarnizione a spazzola secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 1 fino a 4, caratterizzata dal fatto che le setole (B) del pacco di setole in direzione circonferenziale sono accostate, partendo rispettivamente da una linea circonferenziale comune sul nucleo (1), obliquamente in modo uniforme in continuo rispetto ad una circonferenza del rotore.
6. 6. Guarnizione a spazzola secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzata dal fatto che le fessure (8, 8') sono distribuite sulla circonferenza in distanze uniformi.
7. 7. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che le fessure (8, 8') sono disposte sulla lunghezza sulla circonferenza in una posizione incrociata relativa, rispettivamente in una posizione obliqua scostantesi, rispetto al rispettivo angolo di accostamento (a) delle setole (B).
8. 8. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 6 oppure 7, caratterizzata dal fatto che le fessure (8) sono eseguite incurvate longitudinalmente a guisa di foro oblungo sulla circonferenza.
9. 9. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 6 oppure 7, caratterizzata dal fatto che le fessure (8) sulla lunghezza sono disposte incurvate simmetricamente in direzione circonferenziale e sfalsate relativamente tra loro, su almeno due raggi di curvatura (Ra, Ra') differenti, in modo uniforme sulla circonferenza.
10. 10. Guarnizione a spazzola secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 1 fino a 9, caratterizzata dal fatto che la parte di parete (3) contenente le fessure (8, 8') forma parti dello spazio anulare (5), e con bloccaggio assiale del tubo di bloccaggio (2), è collegata amovibilmente, oppure mediante saldatura, con la parte di parete (4) restante a formare una cassa stazionaria della guarnizione.
11. 11. Guarnizione a spazzola secondo una o parecchie delle rivendicazioni da 1 fino a 10, caratterizzata dal fatto che essa è eseguita come guarnizione doppia con rispettivamente due parti di parete proprie (3, 4; 3', 4'), il tubo di bloccaggio (2; 2'), la cassa della guarnizione con rispettivo spazio anulare (5, 5') e rispettive fessure circonferenziali (U, U') per la guida dei rispettivi pacchi di setole, laddove le rispettive parti di parete (3, 4; 3', 4') e i pacchi delle setole (B, B') sono disposti assialmente con distanza e racchiudono, relativamente al rotore (R, 7), uno spazio di pressione (R2') ermetizzato rispetto agli spazi (RI, R2) di differenza di pressione estremamente elevata.
12. 12. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 11, caratterizzata dal fatto che essa, come guarnizione doppia con casse di guarnizioni sfalsate relativamente tra loro radialmente ed assialmente con le parti di parete (3, 4; 3', 4'), spazi anulari (5, 5'), fessure circonferenziali (U; U') e setole (B, B'), è associata al rotore (R) oppure ad un portaguarnizione rotante.
13. 13. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione il oppure 12, caratterizzata dal fatto che per lo meno la parte di parete di parete (3; 3'), rivolta allo spazio (RI) con la pressione di fluido massimale (PI), di una guarnizione presenta le fessure (8; 8') assiali.
14. 14. Guarnizione a spazzola secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che le fessure (8') sono formate da fori oblunghi rettilinei, i quali sono disposti sulla lunghezza tangenzialmente, rispettivamente in distanze circonferenziali in continuo più grandi uniformemente radialmente all'esterno rispetto a radialmente all'interno nella rispettiva parte di parete (3).