PT81788B

PT81788B - Junta rotativa equilibrada para estanquidade do veio duma turbina hidraulica

Info

Publication number: PT81788B
Application number: PT81788A
Authority: PT
Original assignee: Neypric Societe Anonyme
Priority date: 1985-02-01
Filing date: 1986-01-03
Publication date: 1992-04-30
Also published as: PT81788A; BR8600397A; ES551513A0; FR2577000B1; IN163376B; ES8702614A1; FR2577000A1; US4714258A

Description

presente invento tem por objecto uma junta rotativa equilibrada para estanquidade do veio duma turbina hidráulica que está associada a uma multiplicidade de dispositivos distri. buídos angularmente em torno do seu eixo geométrico, incluindo eada um deles em combinação:

- uma coluna oca (14) associada ao porta-junta (12) e que passa acima da tampa superior (3) da máquina, uma mola de compressão (25) actuando dessa coluna na direcção do porta-junta (12) um macaco hidráulico de efeito simples (16, 17, 18) cujo pistão (16) está situado sobre a coluna (14), um empilhamento (22) de discos elásticos que são comprimidos quando a coluna (14) é deslocada no sentido da reacção da mola de compressão (25), e uma alimentação sob pressão da furação axi al (15) da coluna (14), a qual comunica com a câmara sob pres são (19) do macaco (16, 17, 18).

Turbinas hidráulicas.

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-2DESCRIÇÃO DO INVENTO

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presente invento refere-se à estanquidade dos veios verticais, em especial de máquinas hidráulicas como turbinas.

A estanquidade entre o veio vertical dessas máquinas e as partes fixas levanta problemas delicados, pois um cLefeito de estanquidade trás consequências económicas desastrosas tan to no que se refere à reparação como à imobilização da máquina.

Quando o veio da turbina hidráulica é vertical a junta destinada a assegurar a estanquidade entre as partes fixas e móveis da turbina é efectuada por uma peça de fricção associa da à parte rotativa da turbina e sobre a qual se apoiam elementos circulares contínuos de secção rectangular feitos geralmente em carbono. Esses elementos são montados num anel fixo no que se refere a rotação e móvel axialmente em relação ao veio. Esse anel que constitui o porta-junta é comprimido por uma série de molas de compressão distribuídas igualmente em torno do eixo geométrico do veio da máquina. Ainda, existe uma câmara anular de líquido sob pressão a partir da qual esse líquido, que é geralmente água limpa, é enviado para o espaço situado entre as duas juntas de maneira a lubrificá-las e a arrefeoe-las. Essa água de irrigação encontra-se a uma pressão superior à que existe no espaço da roda da turbina de tal maneira que existe uma fuga permanente em direcção a esse espaço.

As juntas conhecidas têm grandes inconvenientes. Com efeito, quando a máquina está parada, as molas aplicam sobre as juntas uma força constante que tem tendência a faze-las co, lar sobre a peça de fricção e tanto mais se neste sstado de parada é cortada acidentalmente a alimentação de água de irri gação. Nestas condiçães, quando do arranque da máquima, assiste-se frequentemente a uma deterioração das juntas por atrito a seco. Compreende-se bem que este inconveniente é

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muito grave visto que obriga à desmontagem completa do conjun. to das peças situadas acima da chapa de fricção.

Quando da paragem da turbina a água em pressão que cir cunda a sua roda pode penetrar entre as duas juntas, se por exemplo a exterior tiver estrias, de tal maneira que a água em pressão entre na câmara circular onde estagna, e produzem-se assim depósitos de impurezas que muitas vezes danificam as juntas de estanquidade da câmara circular. Neste caso aquelas têm de ser mudadas e, como têm diâmetros da ordem dos l dois metros, podem imaginar-se a dificuldade e o preço de uma tal operação.

Os aperfeiçoamentos que são objecto do presente invento visam remediar tais inconvenientes e permitir a realização de uma junta rotativa de estanquidade que satisfaça melhor do que até agora.os requisitos diversos da prática.

presente invento tem ainda por objecto a realização de uma junta equilibrada, quer dizer que fica submetida a uma pressão específica devida à resultante de dois esforços antagónicos compreendendo um a força desenvolvida por um lado por um conjunto de macacos hidráulicos e por outro lado por molas de compressão, enquanto que o esforço antagónico é exercido por ) discos elásticos. Assim, melhora-se a estabilidade da junta e limita-se a sua destruição no caso de falha da irrigação de água limpa. Com efeito, regula-se a pressão específica resul tante sobre a junta de modo que a seco essa pressão seja muito baixa, de tal maneira que se a turbina for posta em rotação sem água limpa de irrigação, a dita pressão específica não é suficiente para provocar o aquecimento e a destruição da jun ta. Quando a água de irrigação é enviada sobre a junta, aumen ta-se automaticamente a pressão de apoio desta sobre a peça de fricção, mas assegura-se com certeza a sua irrigação e arrefe, cimento.

Para isso a junta de acordo com o invento inclui em combinação:

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- uma coluna oca em que uma das extremidades é solidária com o porta-junta, enquanto a extremidade oposta passa acima do suporte de chumaceira da máquina;

- uma mola de compressão que actua sobre essa coluna na direcção do porta-junta;

- um macaco hidráulico de efeito simples cujo pistão está apoiado sobre a coluna, sendo o cilindro fixo sobre a parte superior do suporte de chumaceira;

- um empilhamento de discos elásticos que são comprimi dos quando a coluna é deslocada no sentido oposto à acção do macaco;

- e uma alimentação de fluido sob pressão pela furação axial da coluna e em ligação com a câmara sob pressão do macaco, desenho anexo, dado a título de exemplo, permitirá uma melhor compreensão do invento, suas características e vantagens.

A fig. 1 é um corte transversal geral de uma máquina hidráulica provida de uma junta rotativa realizada de acordo com o invento.

A fig. 2 é uma vista em detalhe numa escala maior.

Na fig. 1 está representada uma máquina hidráulica inç luindo uma roda de turbina 1 provida de um veio vertical 2 que atravessa uma tampa superior 3 em relação à qual é necessário prover estanquidade. Com efeito, essa estanquidade exis te entre uma virola 4 que constitui com uma cobertura 5 uma cuba 6 cheia de óleo destinado à lubrificação de uma chumacei ra 7 e de outros órgãos. Essa chumaceira é sustentada por um suporte 8 realizado sob a forma de uma brida anular sustentada pela estrutura superior da tampa 3.

A cobertura da cuba 5 tem uma peça de fricção rotativa anular 9 em relação à qual foi provida geralmente estanquidade por meio de uma junta solidária com o suporte da chumaceira 8, quer dizer que é angularmente fixa.

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De acordo com o invento e como foi mostrado em detalhe na fig. 2, provê-se a estanquidade sob a forma de duas jun tas concêntricas 10 e 11 de carbono ou análogo, sustentados por um porta-junta 12 disposto na base de um anel 13 móvel axialmente sobre o qual actuam vários dispositivos distribuídos igualmente em torno do eixo geométrico da máquina. A uti lização de seis dispositivos igualmente distribuídos é considerada satisfatória na maior parte dos casos encontrados.

Cada um dos dispositivos mais especialmente mostrados na fig. 2 compõe-se no essencial de uma coluna 14 cuja extremidade inferior 14a é aparafusada no anel 13, atravessando a dita coluna o suporte de chumaceira 8 numa abertura 8a» Obser va-se que a coluna 14 inclui uma furação longitudinal 15 atin gindo um furo vertical 13a existente no anel 13. Um pistão 16 está situado sobre a coluna 14 acima do suporte de chumaceira 8 e a sua periferia coopera com um cilindro 17 fechado por um fundo 18 que a coluna atravessa de maneira estanque nu ma perfuração central 18a. Entenda-se, são providas juntas entre o pistão e o fundo por um lado, e o cilindro 17 por outro lado para tornar estanque o espaço compreendido entre o pistão e o fundo e que se chama a câmara de água 19. Acima do fundo 18, a coluna 14 inclui um disco 20 que é aplicado de encontro a uma porca de encosto 21 por um empilhamento de dis cos elásticos do tipo Belleville”. Esse empilhamento foi re ferenciado em 22. A extramidade da coluna 14 que se acha aci, ma do empilhamento 22 é provida de uma ligação 23 à qual está ligado um tubo 24 de condução de água limpa de irrigação e ar refecimento das juntas 10 e 11. A câmara de água 19 é alimen tada a partir da furação 15 por meio de um furo radial 14b feito na coluna e que desemboca num poço 18b concêntrico com a perfuração central 18a desse fundo.

Uma mola de compressão 25 colocada em torno da coluna apoia-se por uma das suas extremidades, por um lado de encontro a uma brida 26 solidária com o suporte de chumaceira 8 e, por outro lado, de encontro a uma manga 27 que se apoia sobre o anel 13. Assim, a reacção do conjunto da mola 25 comprime

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esse anel, o porta-junta 12 e as juntas 10 e 11 de encontro à peça de fricção 9·

Nota-se que o anel 13 é guiado na sua deslocação axial por uma chumaceira anular 28 solidária com um elemento tubular 29 unido a um órgão 3a da tampa superior 3. A chumaceira 28 tem garfos 30 cujos dentes cavalgam os esporões 31 existen tes na periferia do anel 13. Assim, este é retido angularmen te fixo, de modo que não seja comunicada qualquer rotação às colunas 14.

funcionamento resulta das explicações anteriores:

Em repouso, quer dizer quando a roda de turbina não gi ra a mola 25 empurra as duas juntas 10 e 11 de encontro à peça de fricção 9 segundo uma pressão específica entre essas peças. Realiza-se uma disposição em que o empilhamento 22 de discos elásticos do tipo Belleville não aplica qualquer força contrá ria sobre a coluna 14. Depois aparafusa-se a porca de encosto de modo que o empilhamento de discos se comprima para exer cer uma acção antagónica sobre a coluna em relação à reacção que lhe Ó comunicada pela mola de compressão 25. Realiza-se uma disposição em que a pressão das juntas 10 e 11 de encontro à peça de fricção 9 seja muito ligeiramente superior a 0, quer dizer variando entre 0,5 e 0,1 bar.

Rodem produzir-se três géneros de incidentes.

Embora sejam previstos dispositivos de segurança para que a roda da turbina não possa girar sem água de irrigação, pode pressupor-se que os sistemas de segurança estão deteriorados, e que a turbina gira sem água de irrigação. As juntas são então aplicadas directamente de encontro à peça de fricção sem que exista qualquer película de água, Mais, segundo a regulação indicada acima, a pressão das juntas de encontro à peça de fricção é pouca, de modo que a sua rotação sobre es, ta provoca a erosão, logo a diminuição da sua espessura. Essa erosão é contrariada muito rapidamente pela reacção dos discos Belleville que, após um certo percurso na direcção da

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parte debaixo da coluna 14, origina a separação das juntas e da peça de fricção 9· Nessa altura é a água do compartimento da roda 1 que vem lubrificar as juntas e arrefecê-las de tal maneira que se evita a sua deterioração completa.

No segundo caso, a água de irrigação não é cortada mas, devido a circunstâncias especiais, as juntas estão em apoio directo a seco sobre a peça de fricção sem que exista qualquer película de água. Nesse caso, a força aplicada sobre as juntas 10, 11 é constituída pela reacção das molas de comprejs são 25 e a força desenvolvida pelos macacos 16, 17« Essas du as forças são contrariadas por um lado pela tensão do empilha mento 22 de discos Belleville e, por outro lado, pela pressão desenvolvida entre o porta-junta 12 e a peça de fricção 9, quer dizer no espaço 32 compreendido entre as duas juntas 10 e 11.

Com efeito, as juntas 10 e 11 estão separadas por uma distância que se não pode desprezar, de tal maneira que a força desenvolvida entre as juntas e a peça de fricção 9 pela água que entra no espaço 32 compreendido entre essas duas jun tas é importante, de modo que há muito menos risco de se assistir à colagem das ditas juntas sobre a peça de fricção do que com as soluções anteriores nas quais as juntas estavam próximas de modo que a força considerada era fraca.

Como no primeiro caso acima, no arranque há uma ligeira fricção das juntas em apoio seco de encontro à peça 9 mas logo que essa fricção atinge um certo valor, o percurso para baixo das colunas 14 Ó interrompido graças à intervenção do empilhamento 22 de discos Belleville. Nestas condições, aparece uma folga entre as juntas e a peça de fricção de modo que a película de água é constituída e a partir desse instante o funcionamento torna-se normal.

Uma terceira hipótese de mau funcionamento refere-se a um descolamento súbito das juntas 10, 11 em relação à peça de fricção 9, por exemplo depois de vibrações transitórias

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que descolam essas juntas, quando um corpo estranho pode intro, duzir-se entre elas e a peça de fricção 9. Percebe-se facilmente que nesse caso a película de água desaparece para dar lugar a um escoamento de débito bastante grande. Nesse caso, as colunas 14 têm tendência para subir, de tal modo que anulam a reacção de empilhamento dos discos Belleville 22, Assim, a reacção das molas 25 e os esforços desenvolvidos pelos maca cos 16, 17 juntam-se para constituírem um esforço grande que actua sobre as colunas de orientação de baixo, 0 que permite a eliminação do corpo estranho e a reposição na normalidade das juntas em relação à peça de fricção, quer dizer com uma película de água apropriada.

Conclui-se que a junta descrita não é do tipo estanque, tanto mais que a pressão de água que entra na coluna 14 é pre. vista superior pelo menos em 1 bar à existente no compartimen to da câmara das turbinas. Assim, em funcionamento, há um es_ coamento constante da água de irrigação de fuga na direcção de um compartimento anular 33 situado em torno de uma chumaceira 7 e acima desta. Nessas condições prevê-se a existência na tampa superior de um descarregador trop plein” 3b cLe_s tinado à descarga para 0 exterior da água que entra nesse com partimento.

Graças a um cursor 34 pode regular-se de igual maneira a pressão resultante entre as juntas e a peça de fricção na condição, entenda-se, de todas as molas 25 apresentarem carac terísticas idênticas. Com efeito, 0 afundamento dos empilhamentos 22 apresentado nos cursores dá a dita pressão resultan te.

Durante os tempos de paragens longas da turbina durante os quais a água de lubrificação e de arrefecimento não é utilizada podem introduzir-se na câmara de água 19 produtos solúveis na água, como seja óleo que irão proteger as juntas do pistão e do cilindro de qualquer depósito de lamas provenientes da água situada no compartimento da roda de turbina e que não deixará de entrar nas câmaras dos macacos devido à

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pressão muito fraca que existe então entre as juntas 10 e 11 e a peça de fricção 9· Evita-se assim um dos graves inconve· nientes das disposições actuais nas quais essa introdução de produtos solúveis não é possível.

Deve entender-se, além disso, que a descrição anterior foi explicada a título de exemplo somente e não limita de modo nenhum o âmbito do invento mesmo substituindo os detalhes de execução descritos por outros equivalentes.

Claims

RE I V I K D I C A Ç Õ E S

1 - Junta rotativa de estanquidade para veios especialmente para máquinas hidráulicas como sejam turbinas, do género que inclui uma peça de fricção (9) sobre a qual pousam duas juntas anulares (10, 11) afastadas, montadas num porta-junta (12) comprimido na direcção da peça de fricção (9), en quanto que uma corrente de água limpa é enviada entre as duas juntas para as lubrificar e arrefecer, caracterizado pelo faç. to da mesma incluir meios (25, 22, 16-17, 32) para assegurar a estabilidade das juntas (10, 11) quer dizer permitir o seu retorno a uma posição estável de funcionamento satisfatório, equilibrando as forças exercidas sobre as juntas (10, 11).
2 - Junta rotativa de acordo com a reivindicação 1, ca racterizada pelo facto dos meios para assegurar o equilíbrio das forças exercidas sobre as juntas (10, 11) estarem agrupados em cada um de vários dispositivos angularmente distribuídos de maneira igual em torno do eixo geométrico do veio (2) da máquina.
3 - Junta rotativa de acordo com a reivindicação 2, ca racterizada pelo facto de cada dispositivo incluir em combina ção:

- uma coluna oca em que uma das extremidades (14a) é solidária com o porta-junta (12) enquanto que a sua extremida de oposta passa acima do suporte de chumaceira (8) da máquina;

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- uma mola de compressão (25) actuando sobre essa colu na na direcção do porta-junta (12);

- um macaco hidráulico de efeito simples (16-17-18) cu jo pistão (16) está situado sobre a coluna (14), sendo o seu cilindro (17) fixo sobre a parte de cima do suporte de chumaceira (8);

- um empilhamento (22) de discos elásticos associados à coluna (14) e actuando no sentido oposto ao da reacção da mola de compressão (25);

- e uma alimentação de fluido sob pressão da furação axial (15) da coluna (14) e sobre a qual está ligada a câmara sob pressão (19) do macaco (16-17-18).
4 - Junta rotativa de acordo com a reivindicação 3, ca racterizada pelo facto de um anel móvel axialmente (13) estar situado entre o porta-junta (12) e cada coluna (14), sendo o dito anel angularmente fixo e- axialmente móvel.
5 - Junta rotativa de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo facto da reacção desenvolvida pelo empilhamento (22) dos discos elásticos ser regulável.
6 - Junta rotativa de acordo com a reivindicação 3, ca racterizada pelo facto do espaço entre as juntas (10-11) permitir criar uma força desenvolvida importante entre o porta-junta (12) e a peça de fricção (9).