DISEÑO DE ESCOBILU-üELLO MEJORADO PARA TURBINAS Y APARATOS GÍIÉTORIOS SIMILARES DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención está relacionada generalmente con diseños de escobilla-sello mejorados que se utilizan en turbinas tales como turbinas de vapor y de gas y otros aparatos que extraen trabajo de la expansión de un fluido en trabajo. El uso de turbinas de fluido elásticas de flujo axial, tales como las turbinas de vapor de flujo axial, juega un papel muy importante en la producción de energía eléctrica en nuestra sociedad. Muy a menudo, en una planta de energía típica, existirá un número de turbinas de vapor cada una accionando uno o más generadores de energía eléctrica. En general, cada turbina de vapor comprende un árbol giratorio soportado por cojinetes que se encuentran en un alojamiento o cubierta. Para poder girar el árbol del rotor utilizando el momento de un vapor supercalentado (vapor supercalentado' para una turbina de vapor y gases de combustión de hidrocarburo para una turbina de "gas") , una serie de etapas de turbina se acomodan secuencialmente a lo largo del eje del árbol. Una cámara de combustión, típicamente localizada en la parte externa de la cubierta de la turbina, se proporciona para el propósito de generar vapor para accionar la turbina. En la parte externa de la cubierta de la turbina se encuentran tuberías de vapor que se utilizan para conducir el vapor desde la cámara de combustión hasta la turbina. Las turbinas típicamente se clasifican por la presión o el rango de presión a la cual operan. Unida al extremo de la cubierta de turbina se encuentra una cubierta que se estrecha llamada estator. Al final del estator se encuentra una tubería (la tubería de tobera) que se une a la tubería de la cámara de combustión; el sellado de la tubería de tobera a la tubería de suministro de vapor se efectúa mediante anillos de sello llamados anillos de tobera; los anillos de tobera comprenden dos conjuntos de anillos que se engranan entre sí, un conjunto colocado en la parte exterior de la tubería de tobera y el otro en la parte interior de la tubería de vapor dentro de la cual entra la tubería de tobera. Un ejemplo de este tipo de unión de expansión es mostrado por Miller en la US 2,863,632 (la descripción de la cual se incorpora en la presente para referencia) . Cada etapa de presión de la turbina tiene un rotor de turbina. Cada rotor tiene una pluralidad de alabes que se extiende radialmente a una distancia predeterminada desde el árbol, hacia una banda de estator que se extiende circunferencialmente (es decir, cubierta) que se asegura a las porciones de espiga de los alabes. Un diafragma estacionario se instala detrás de cada rotor en una junta circunferencial formada en la cubierta de la turbina. La
estructura interior del diafragma define un anillo de boquillas de vapor colocadas circunferencialmente alrededor del rotor. Estas boquillas están localizadas en la misma posición radial como los alabes en su rotor asociado. Las boquillas canalizan el vapor (u otro fluido de trabajo) que entra en esa etapa y lo canaliza a los alabes. Para establecer un "sello de punta" con la banda del estator de cada rotor de turbina, un anillo de segmentos de tiras de agujas está soportado desde el diafragma estacionario en cada etapa con un empaque que se extiende a la banda del estator giratorio (la banda se fija a los alabes, que se fijan al rotor, que está girando) . A medida que el vapor viaja a través de la turbina, una porción de su momento lineal es transformada al momento angular de los alabes de rotor en cada etapa de turbina, con esto impartiendo un par de torsión al árbol de turbina. En las etapas corriente abajo muy a menudo es necesario incrementar la longitud de los alabes de rotor y el tamaño de los diafragmas asociados para extraer energía cinética del fluido en movimiento a una presión reducida. Un problema mayor en el diseño de turbina está relacionado con la cualidad de los sellos de vapor entre los diferentes componentes estacionarios y giratorios a lo largo de la trayectoria de flujo de vapor en la turbina. En general, existen varios lugares dentro de la turbina donde tales sellos deban .establecerse para asegurar una alta eficiencia de turbina. Un primer lugar donde se requieren los sellos de vapor es entre la norción exterior de cada rotor y su diafragma asociado los cuales han sido efectuados utilizando un anillo de tiras de agujas segmentado del tipo descrito en la Patente Norteamericana No. 5,547,340, incorporada aquí por referencia. Durante las operaciones de arranque, cuando el rotor exhibe modos de operación de baja frecuencia alrededor de su eje, las puntas de la estructura tipo aleta rígida (por ejemplo, sellos de aleta) se proyectan a lo largo de los segmentos de tiras de agujas tienden a frotar contra sí y/o cortar dentro de la banda del estator del rotor asociado, provocando daño al mismo durante el proceso de arranque. La única protección ofrecida contra tal acción de frotado ha sido diseñar las tiras de agujas para que exista un espacio suficiente entre las porciones de punta de las aletas en las tiras de agujas y la banda de estator del rotor. Este enfoque, sin embargo, da como resultado en la degradación del sello de punta, permitiendo que el vapor pase a través del área de libramiento y no a través y sobre los alabes del rotor, con esto reduciendo el rendimiento de la turbina. Un segundo lugar donde se requieren los sellos de vapor es entre el rotor y el árbol de turbina. La creación de sellos sobre tales resiones ha sido dirigida generalmente con
.__________-__)_&«_ el paso de los años instalando un empaque segmentado entre el rotor y el árbol de turbina en cada etapa de turbina. El empaque típicamente consiste de una primera estructura de anillo con varias filas de aletas (es decir, dientes de sello) en una de las partes y una segunda estructura con filas múltiples de proyecciones de superficie que corresponden a las aletas. La primera estructura de anillo típicamente se monta desde el diafragma asociado y la segunda estructura de anillo típicamente es monta hacia el árbol de turbina. Juntas, las filas de aletas correspondientes y de registro y las estructuras de proyección crean un sello tipo laberinto que presenta una trayectoria de flujo de alta impedancia para el vapor presurizado. Sin embargo, durante la operación de arranque, los modos de operación de baja frecuencia alrededor del eje de la turbina tiendan a provocar que las porciones de punta de cada fila de aletas se muevan radialmente hacia afuera y hacia adentro; además, la expansión térmica diferencial provocada a medida que el flujo de trabajo caliente es admitido a las etapas y cada uno se calienta a una temperatura de operación puede exacerbar el daño al empaque. Para evitar la frotación y el daño a tales estructuras de anillo de empaque, es necesario diseñar las aletas y las proyecciones de superficie con un libramiento suficiente para evitar que las puntas rocen durante la operación de arranque. Esto, sin embargo, necesariamente
degrada la calidad del sello del laberinto. En las Patentes Norteamericanas Nos. 4,436,311 y 5,395,124 para Brandon (las descripciones de las cuales se incorporan en la presente para referencia) , el problema del roce de las puntas de aleta en el diseño de anillo de empaque ha sido dirigida para proporcionada una estructura de anillo de empaque segmentado retráctil entre cada rotor y árbol de turbina. La manera en la cual la calidad del sello de laberinto se mejora con este diseño se describe de la siguiente manera. Durante la operación de arranque, cuando la vibración de rotor de baja frecuencia es predominante, los segmentos de anillo de empaque montados de diafragma se desvían por un resorte en una dirección radial lejos del árbol de turbina, reduciendo el riesgo del roce de la porción de la punta de la aleta y daño al anillo de empaque. A medida que el rotor incrementa su velocidad angular, naturalmente se reduce la vibración de baja frecuencia. Los segmentos de anillo del empaque son forzados para moverse más cerca (radialmente hacia adentro) del árbol de turbina por medio de la presión del vapor, mejorando la calidad del sello de laberinto entre las aletas y las proyecciones de superficie correspondientes opuestas, con esto mejorando la eficiencia de la turbina. Una solución alternativa al problema del roce de la punta de aleta en el empaque se describe en la Publicación de
aiji..ti.*t _* -¿_¡¡tai .i, » a_faj_a__ .»____.fa_»... - _.„ ._ _..__= *&. _»j . ,.,^to__—^_.«—_ ^-- ______»_________? ,A»t?_—___I Solicitud de Patente Británica No. GB 2 301 635 A. En esta Publicación de Patente Británica, se instala un elemento tipo escobilla entre un par de aletas que se extienden desde los segmentos de anillo de empaque montados en el diafragma. La función del sello de escobilla es mejorar la calidad del sello de laberinto durante todas las fases de operación. Una desventaja principal con este diseño, sin embargo, es que durante las operaciones de arranque no se proporciona una manera para proteger las porciones de punta de los sellos de aleta sin diseñar un alto grado de libramiento en el diseño. Consecuentemente, en virtud de tales requisitos de libramiento incrementado, la calidad del sello de laberinto proporcionado por este diseño de sello de empaque de la técnica anterior necesariamente se ve comprometida. Varias otras patentes describen el uso de sellos de escobilla en turbina, tal como Ferguson en la US 4,971,336, Sanders et al . en la US 5,599,026, Bagepalli et al . en la US 5,474,306, y Skinner et al . en la US 5,749,584 (las descripciones de las cuales se incorporan en la presente para referencia) . En estos diseños, los sellos de escobilla están diseñados de manera fija y son inamovibles. Muchos de los diseños de sello de escobilla más recientes proporcionan escobillas inclinadas en un ángulo desde el radio de la turbina (el centro siendo definido por el árbol de la turbina giratorio). Como lo muestra Skinner et al . , las máquinas
l_— __ .i.—_l -_——&&— feteiiiaakfl existentes con sellos retráctiles (por ejemplo, como lo describió Brandon) puede retro-ajustarse con un sello de escobilla sustituido para uno de los dientes del laberinto, pero cuando se utilizo con empaques retráctiles Skinner et al . enseña que los extremo de cada sello de escobilla colocados en el segmento de empaque retráctil deben cortarse a lo largo del radio para proporcionar cada uno de los segmentos con una superficie rasa para un acoplamiento adecuado cuando los sellos acoplan entre sí para formar la estructura de anillo. Debido a la inclinación de las escobillas con relación al extremo plano del sello de escobilla colocado a lo largo del radio, el diseño de Skinner et al . incluye un espacio pequeño en el sello de escobilla. Un objeto principal de la presente invención es proporcionar un diseño de sello de escobilla mejorado que se utiliza para crear altos sellos en turbinas mientras que se evitan los defectos y las desventajas de los diseños de sello de escobilla de la técnica anterior. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un diseño de sello de escobilla que efectivamente reduzca el desgaste de la parte de turbina mientras que proporcione sellos mejorados entre cada etapa de la turbina acomodando las desviaciones radiales transitorias del árbol rotor de turbina durante la operación de arranque. Otro objeto de la presente invención es
t _=__?j j=______¡___ ,____! ___&,_,_ proporcionar un anillo de empaque segmentado mejorado que se utiliza en una turbina elástica, en donde se proporciona el sello mejorado entre el sujetador de anillo de empaque y el rotor del mismo. Aún otro objeto de la presente invención es proporcionar un empaque retráctil mejorado que se utiliza en una turbina elástica, en donde se forma un sello mejorado entre el empaque retráctil y el rotor de turbina por medio de las aletas y por lo menos una pila de elementos de cerdas (es decir, un sello de escobilla) colocados entre éstas. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un empaque de sello de escobilla retráctil que proporciona un sello de escobilla continuo sin espacios como se muestra en la técnica anterior con sello de escobilla en el empaque retráctil. Este y otros objetos de la presente invención serán evidentes más adelante. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para un entendimiento más completo de los Objetos de la Presente Invención, se deberá leer la siguiente Descripción Detallada de la Modalidad Ilustrativa junto con los dibujos anexos, en los cuales: la Figura 1 es una vista en corte transversal de una etapa de turbina convencional que incluye una modalidad del empaque novedoso de esta invención.
lá-Aai,<_-__,.*_, j,t,_á_._.__._-_i__»J__-J si£ ¡_£ _ _ . _. __. ... „_ . __._..,__, ___ —_—__- ""- it?tñ-a, rBj ül Las Figuras 2A y 2B son vistas en perspectivas de los extremos opuestos de un segmento de empaque. La Figura 3 es una vista lateral que muestra segmentos de empaque adyacentes separados uno del otro. La Figura 4 es una vista en perspectiva de una muesca en el lado de un segmento de empaque para permitir que el vapor entre detrás del empaque durante el arranque y el apagado . El lector deberá primero hacer referencia a las patentes antes mencionadas en la sección de Antecedentes para cuestiones y detalles con respecto a sellos de laberinto y segmentos de empaque retráctiles. Como se mencionó en la sección de Antecedentes, el vapor (ejemplificado en esta sección como el fluido de trabajo) es canalizado en cada etapa mediante una boquilla en el diafragma hacia los alabes, el diafragma se une a la cubierta inmóvil y los alabes se unen al árbol giratorio en la turbina. Como se muestra en la Figura 1, un corte transversal a través de una turbina revela la cubierta 101 en la cual se monta un diafragma 103 que separa las etapas adyacentes. El flujo de vapor de la etapa previa es canalizado a través de la boquilla (una abertura formada) 105 en el diafragma para chocar contra los alabes 107 de turbina. Cada aspa está unida por una raíz 109 al árbol 111 de turbina. La circunferencia en el extremo de los alabes está cubierta por un estator 113 circunferencial. Se evita que el vapor sea desviado por el aspa e ir sobre el estator mediante un sello 115 de punta; el vapor no fluye hacia atrás entre el sello de punta y el estator debido a que no puede fluir desde un área de presión más baja a un área de presión mas alta (áreas hacia la izquierda en la Figura 1 que son de menor presión que aquellas a la derecha) . Un sello 115 de punta correspondiente está presente en la etapa corriente abajo siguiente de alabes. Mientras que el vapor no puede evitar la boquilla escapándose hacia atrás a través del sello 115 (es decir, hacia la derecha en la Figura) , puede fugarse entre el diafragma y el árbol. Por consiguiente, este es otro lugar donde se utiliza el empaque. En resumen, el vapor de una etapa previa choca contra el aspa y es dirigido hacia la siguiente etapa, una boquilla en el diafragma dirigida hacia el siguiente conjunto de alabes. Se debe evitar que el vapor que entra en la etapa escape alrededor del diafragma con la boquilla; se evita que vaya de regreso corriente arriba debido a las presiones más altas, a partir de ir alrededor del árbol mediante el empaque 117 adyacente al árbol, y de desviar el aspa mediante el sello 115 de punta. El empaque entre el diafragma y el árbol de preferencia es retráctil y de preferencia del tipo laberinto. El empaque 117 está colocado en el diafragma e incluye una serie de aletas 119 los extremos de las cuales se encuentran
adyacentes a las puntas 121 correspondientes del árbol, algunas de las cuales están elevadas, todas proporcionando el libramiento adecuado y una trayectoria tortuosa (de laberinto) de alta resistencia, y por consiguiente un sello. El empaque puede desviarse hacia el árbol con un resorte. El empaque tiene la geometría de un anillo y de preferencia está proporcionado como una pluralidad de segmentos, utilizando típicamente seis en una aplicación de alta presión. En virtud de este empaque, el vapor que sale de los alabes de la etapa previa es canalizado a través de la boquilla y no escapa alrededor del diafragma. Se deberá apreciar que un sello de laberinto no necesita tener aletas sólidas para poder proporcionar un laberinto. Por ejemplo, una o más de las aletas pueden reemplazarse por un sello de escobilla, o toda la superficie interior donde las aletas colocadas pueden ser un escobilla. En ambos de estos casos, se establece una trayectoria de flujo tortuoso, por consiguiente formando un sello de laberinto. Los segmentos de empaque retráctil son arqueados. Las vistas perspectivas de los extremos opuestos de un segmento se muestran en las Figuras 2A y 2B. Cada segmento 201 tiene un cuerpo 202 principal con extremos 203a y 203b que de preferencia son paralelos con el radio axial de la turbina (es decir, el radio de la turbina en un corte transversal cuando se ve axialmente a lo largo del árbol),
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aunque no necesariamente tiene que ser así. La superficie 205 radialmente interior del segmento (es decir, el lado que se encuentra orientado hacia el árbol) está proporcionado con una pluralidad de aletas 207 que pueden tener la misma o 5 diferentes alturas de la superficie interior. La superficie 206 radialmente exterior de preferencia tiene una extensión en forma de T que define hombros 209a/209b opuestos que acoplan una ranura formada de manera correspondiente en el diafragma como se muestra en la Figura 1. La porción de
10 cuello 211 que conecta la superficie radialmente exterior del segmento de empaque con los hombros recibe una proyección correspondiente del diafragma. El cuello en cada extremo del segmento de prefereí a está proporcionado con un orificio 215. Un resorte (o m lió similar) es recibido en cada uno de
15 los orificios en segmentos adyacentes/empalmados; los resortes desvían los segmentos lejos entre sí. Como se mencionó anteriormente, se prefiere que estos segmentos incluyan medios para permitir vapor detrás del sello, como se discutirá más adelante; a medida que la turbina alcance una
20 presión de operación, la presión fuerza los cuellos de los segmentos para empalr ar la proyección correspondiente en el diafragma y formar un sello para que el vapor pueda pasar a través de la boquilla o intente atravesar el sello de laberinto. 25 En la modal idad mostrada en las Figuras 2A y 2B,
tiÉgMÍÉÍÉM-_____-_A-.--_ _^-_,_á__»_. _...__,,_...._-una sección central del segmento donde una aleta puede proporcionarse, ha sido reemplazada por un sello de escobilla. El sello generalmente comprende un sujetador 217 en el cual se colocan una multiplicidad de cerdas 219. Como se muestra, y como se describe en la técnica, las cerdas de preferencia están inclinadas (anguladas) con respecto al radio (axial) de la turbina. Se ha descubierto que el problema supuesto identificado por Skinner et al . que los extremos de los sellos de escobilla, similares a los extremos de segmento de empaque, deben colocarse a lo largo del radio de la turbina, no es una limitación. Como se muestra en las Figuras 2A y 2B, en un extremo del segmento, el sello de escobilla se corta a un ángulo que se extiende más allá del extremo del segmento (por ejemplo, Figura 2A) y el otro extremo del sello de escobilla en el extremo opuesto de ese segmento se corta en un ángulo que se extiende sobre el segmento (por ejemplo, Figura 2B) . De este modo, los extremos del sello de escobilla no están colocados a lo largo del radio de la turbina. Se prefiere que el extremo del sello de escobilla se corte para que la cara 221 de fondo (o exterior) del sujetador esté esencialmente coincidente con la unión entre la cara 205 interior y el extremo 203a/b de segmento. Esta invención proporciona una ventaja significativa sobre el sistema descrito por Skinner et al . debido a que el sel ' > de escobilla actual no tiene áreas donde las cerdas no estén presentes. En esta fabricación, el sello formado por un sello de escobilla típicamente se determina con respecto a la aleta teórica en un sello de laberinto. Debido a que un sello de escobilla no es sólido, cierto flujo ocurre a través del mismo, aún cuando la escobilla está en contacto en línea con el árbol. Se hace una prueba de presión para determinar la fuga de un sello de escobilla en contacto de línea. Este valor de fuga entonces se utiliza para retrocalcular el libramiento entre una aleta teórica en un sello de laberinto; es decir, dada la caída de presión de la prueba, el área entre el extremo de la aleta y el árbol se retrocalcula (la aleta es sólida de modo que no fluye a través de ella ningún fluido de trabajo) para proporcionar un área de fuga afectiva para el sello de escobilla. Si se puede suponer que la misma área de fuga afectiva para el sello de escobilla per se descrita por Skinner et al . y aquellos de la presente invención, adicionando las sustancias formadas por las celdas faltantes en el sello de Skinner et al . da como resultado un área de fuga en el sello de Skinner et al . significativamente mayor para el sello actual. El área de fuga está relacionada con el diámetro del sello. Al utilizar un sello de escobilla de 36" de diámetro, el sello de escobilla de Skinner et al . tiene un 47% de mayor fuga que el presente sello de escobilla, y con un sello de escobilla de 10" de diámetro el sello actual tiene 264% menos fuga. En una operación transitoria durante el arranque, los segmentos se retraen y se desvían radialmente hacia afuera; esto permite que el árbol gire lentamente con cierto movimiento o vibración sin que las proyecciones 121 en el árbol choquen y dañen las aletas en el empaque. A medida que la presión de vapor incrementa y la turbina llega hasta la velocidad de temperatura de operación, el empaque se contrae alrededor del árbol. Como se muestra en la Figura 3, los segmentos de empaque adyacentes se separan y son empujados por un resorte 301 ( m resorte de hélice cilindrica mostrado en la figura) . En el extremo del sello de escobilla, el sello se corta a un ángulo que se extiende más allá del extremo del segmento para proporcionar un tipo de lengüeta 303. El extremo correspondiente del segmento adyacente está proporcionado con el corte de sello de escobilla a un ángulo que se extiende sobre la superficie de segmento para proporcionar una re ara 305. A medida que el segmento se junta para formar .. anillo, los extremos opuestos de los segmentos adyacente" se juntan y se tornan rasos, y la porción de lengüeta el segmento de sello de escobilla de un segmento de empaque _ j acopla con la ranura en el segmento de empalme adyacente, le este modo, esta invención evita el problema inherente _ i el dispositivo de Skinner et al . en donde existe un p . año orificio o espacio en el sello de
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escobilla en cada unión entre los segmentos de empaque. Adicionalmente, el sello de escobilla (o uno de los sellos de escobilla plurales) pueden proporcionarse como un sello de escobilla flotante. 5 Además con respecto a la operación transitoria, como se mencionó anteriormente, durante el arranque, muy a menudo existen cuestiones con gradiente térmico y expansión no alineada y alineación al igual que problemas de vibración. Para evitar el daño al empaque, es deseable efectivamente
10 desacoplar el empaque del árbol. Por consiguiente, el empaque retráctil-contráctil es descrito por Brandon en la US 4,436,311 (la descripción de la cual se incorpora en la presente para referencia) se prefiere; en esencia, este empaque es radialmento móvil y auto-ajustable. Este empaque
15 comprende un anillo d^ segmentos de empaque cada uno separado de aquellos adyacente^- por un resorte, que empujan el anillo a una circunferencia rayor y por consiguiente lejos del árbol de turbina; los segmentos de fondo en el anillo naturalmente se mueven lejos del árbol debido a la gravedad. Con el fin de
20 forzar los segmentos hacia el árbol, el fluido de trabajo (vapor) se proporciona con acceso a la superficie radialmente exterior corriente arriba del segmento; tal acceso puede proporcionarse como un orificio 307 en el pared del diafragma como se muestra en la Figura 1, de modo que el vapor es
25 admitido libremente detrás del empaque. Alternativa o
adicionalmente, como se muestra en la Figura 4, una ranura o canal 401 u otro medio de conducto puede proporcionarse en la superficie 206 radialmente exterior, con el cuello 211 y uno de los hombros 209 del segmento efectivo para permitir que el fluido de trabajo entre detrás de la superficie exterior y fuerce el segmento hacia el árbol. La porción de hombro de la extensión en forma de T de la superficie exterior del segmento mostrado en la Figura 4 también puede proporcionarse con una ranura o hendidura 403 perpendicular a la circunferencia de arco del segmento para recibir un resorte
(hoja) o registro para adicionalmente desviar y/o alinear el segmento. Durante la operación, cuando la turbina está hacia abajo y el vapor es admitido para elevar la turbina a la velocidad, los resortes en los extremos de los segmentos empujan el anillo de los segmentos a un mayor diámetro y de este modo lejos del árbol. Desviado de esta manera, existirán espacios entre los segmentos, y aquellos espacios y/o el canal antes mencionado permite el vapor detrás del segmento asociado con un diafragma particular, a medida que la presión de vapor incrementa, forzando el diámetro de anillo más pequeño al sello alrededor del árbol. La descripción anterior tiene como propósito ser ilustrativa y no limitante. Pueden volverse evidentes varios cambios, modificaciones y adiciones para aquellos expertos en la técnica al leer cuidadosamente está especificación, y se
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da a entender que está dentro del alcance y espíritu de la invención como se define en las reivindicaciones . ?*** *' %&