COJINETE DE EMPUJE MEJORADO PARA BOMBAS CENTRIFUGAS MULTIETAPAS.

Conjunto de cojinetes de empuje para una bomba, que tiene una carcasa (16),

un árbol (22), que tiene un eje longitudinal y una posición axial móvil, un puerto de entrada y una cámara de descarga, que comprende:

un sello (90) anular acoplado dentro de dicha carcasa (16);

un disco (86) acoplado a dicho árbol (22) situado adyacente a dicho sello (90), teniendo el sello (90) y el disco un intersticio (98) en medio,

en el que una presión dentro de dicha cavidad (79) de cojinete controla la posición axial de dicho disco (86) y el árbol (22), y

en el que dicho sello (90) anular y dicho disco (86) definen, al menos parcialmente, una cavidad (79) de cojinete, y caracterizado porque

dicha cavidad (79) de cojinete está acoplada, en comunicación de fluidos, a dicha cámara (72) de descarga a través de dicho intersticio (98); y caracterizado adicionalmente

por una vía (102) de retroalimentación que acopla dicha cavidad de cojinete con dicho puerto de entrada

Cojinete de empuje mejorado para bombas centrífugas multietapas.

La presente invención se refiere de forma general a cojinetes de empuje para bombas y turbinas. Más concretamente, la presente invención se refiere a un cojinete de empuje mejorado para absorber el empuje axial que actúa sobre los rotores de bombas.

Las bombas son máquinas giratorias que incrementan la presión de los fluidos que se desplazan a través de la carcasa de la bomba. Una rueda motriz o series de ruedas motrices están montadas en un árbol dentro de la carcasa de la bomba. Las ruedas motrices giratorias incrementan la presión en el fluido mientras el fluido se desplaza a través de la carcasa. Un motor que también tiene un árbol está acoplado al árbol de la bomba para proporcionar el movimiento giratorio.

Las bombas de barril son un tipo de bomba centrífuga que utiliza múltiples etapas de ruedas motrices montadas en un árbol común. Las ruedas motrices están dirigidas en la misma dirección y están separadas por un difusor, un canal de cruce y un canal de retorno. El árbol con las ruedas motrices está montado en una carcasa. Fluido a baja presión entra en la carcasa en un extremo de la disposición de ruedas motrices y pasa a través de cada rueda motriz. La presión del fluido se incrementa sucesivamente por medio de cada rueda motriz. En el extremo opuesto de la disposición de ruedas motrices, el fluido sale de la carcasa en la salida de descarga a una elevada presión.

Varias fuerzas actúan sobre el árbol de ruedas motrices durante el funcionamiento de la bomba. En caso de árboles largos con un número de ruedas motrices, el árbol debe sostenerse en puntos intermedios a lo largo de su longitud para impedir que se combe o curve en exceso. Comúnmente, se montan entre las ruedas motrices casquillos que se acoplan cerca unos de otros alrededor del árbol. Los casquillos actúan como cojinetes para contrarrestar las fuerzas radiales y para mantener la posición radial deseada del árbol.

El empuje axial también actúa sobre la rueda motriz durante el funcionamiento. El empuje axial de cada rueda motriz se suma. Dado que las ruedas motrices están acopladas al árbol, pueden desarrollarse fuerzas axiales muy intensas a lo largo del árbol.

Otra fuerza que actúa sobre el árbol es una fuerza axial generada por la diferencia entre la baja presión en la entrada de la bomba y la alta presión en la salida de la bomba. Esta fuerza axial, dependiendo de la configuración de la bomba, se desarrolla normalmente en la misma dirección que el empuje axial generado por cada rueda motriz. El empuje axial tiende a doblar el árbol si el cojinete de empuje está en el extremo de entrada del árbol.

En el diseño de la bomba, es deseable proporcionar un árbol que tenga el menor diámetro posible. Al proporcionar un árbol de pequeño diámetro, se maximiza la cantidad de flujo permitido en la región de entrada de las ruedas motrices, que a menudo se denomina "el ojo". Al reducir el diámetro del árbol, sin embargo, se incrementa la tendencia del árbol a curvarse.

Una forma de alojar el empuje axial es permitir que los cojinetes del motor que acciona la bomba absorban cualquier empuje axial. Debido al elevado empuje axial desarrollado por algunas bombas, pueden ser necesarios motores especiales para alojar el empuje axial. Al proporcionar un motor especial, se incrementa la vida útil normal del motor. También se incrementan los costes del motor.

Otra forma de alojar el empuje axial en las bombas es colocar un conjunto de cojinetes entre el árbol de la bomba y el árbol del motor de accionamiento. Normalmente, los cojinetes son del tipo de contacto rodante, tales como cojinetes de bolas o rodillos que se lubrican mediante aceite o grasa. La carcasa del cojinete está soportada de forma independiente para transmitir la fuerza de empuje desde el árbol de la bomba a la placa base u otra estructura que soporte la carcasa del cojinete. Un problema asociado con un conjunto de cojinetes independiente es que los componentes son extremadamente difíciles de fabricar, requieren un sistema de lubricación independiente y también necesitan sellos para el árbol. Todos estos inconvenientes incrementan de forma indeseable el coste del sistema de bomba.

La figura 1 ilustra una bomba 10 de barril típica acoplada a un conjunto 12 de cojinetes. El conjunto 12 de cojinetes está acoplado a un motor 14. El conjunto 12 de cojinetes se utiliza para absorber el empuje axial procedente de la bomba 10 e impide que el empuje axial alcance el motor 14.

La bomba 10 tiene una carcasa 16. La carcasa 16 tiene un puerto 18 de entrada y un puerto 20 de descarga. Un árbol 22 de la bomba se extiende longitudinalmente dentro de la carcasa 16. Cojinetes 25 y 26 de árbol radiales soportan el árbol 22 de forma giratoria dentro de la carcasa 16. El árbol 22 soporta una pluralidad de ruedas 28 motrices. Las ruedas 28 motrices, separadas axialmente mediante manguitos 30 de árbol, están fijadas al árbol 22. Cada rueda 28 motriz incrementa la presión respecto a la etapa anterior. El sello 24 sella el extremo de la carcasa 16 frente a fugas alrededor del árbol 22.

Cada etapa de rueda motriz tiene una entrada 32 que transmite agua hacia la salida 34 de rueda motriz. La entrada 32 de rueda motriz está situada adyacente al árbol 22. La rueda 28 motriz cambia la dirección del flujo desde la entrada 32 en una dirección axial a una dirección radial cuando el fluido se descarga desde la salida 34 de rueda motriz. Un difusor 36 redirige el fluido desde la salida 34 de rueda motriz a un canal 38 de cruce. El canal 38 de cruce transmite fluido a un canal 40 de retorno. El canal 40 de retorno redirige agua en una dirección radial hacia el árbol 22. El canal 40 de retorno termina en la entrada a la siguiente etapa de rueda motriz o en el puerto 20 de descarga en la etapa final. Una pieza 42 entre etapas separa las distintas etapas de rueda motriz.

Cada rueda 28 motriz tiene un buje 44 de rueda motriz y un anillo 48 de rueda motriz. Para reducir las fugas entre etapas de rueda motriz, se establece una estrecha holgura entre cada anillo 48 de rueda motriz y anillo 46 de desgaste. También se establece una estrecha holgura mediante la pieza 42 entre etapas y el buje 44 de rueda motriz para impedir las fugas.

Un puntal 50 se utiliza para soportar el cojinete 26 de árbol. El puntal 50 se extiende a través de la carcasa 12 y permite que el fluido llegue al puerto 20 de descarga. El puntal 50 solo afecta mínimamente al flujo del fluido que sale de la bomba 10.

El conjunto 12 de cojinetes tiene un árbol 32 y una carcasa 54 de cojinete. Dentro de la carcasa 54 de cojinete se dispone una pluralidad de cojinetes 56 que soportan el árbol 52 de cojinete. Sellos 58 rodean al árbol 52 dentro de la carcasa 54 para evitar las fugas de fluido desde el interior de la carcasa 54 de cojinete. Un puntal 80 de carcasa de cojinete soporta la carcasa 54 de cojinete. Preferiblemente, el puntal 60 de carcasa de cojinete no está acoplado a un soporte para la bomba 10 o el motor 14, de modo que puede transmitirse cualquier fuerza a través de la carcasa de cojinete al puntal 60.

El motor 14 tiene un árbol 62 de motor. El árbol 52 de cojinete está acoplado con el árbol 62 de motor y el árbol 22 de bomba mediante acoplamientos 64.

Como es habitual en las bombas de barril conocidas de la técnica anterior, se desarrolla una fuerza en una dirección axial, tal como se muestra mediante la flecha 66. El conjunto 12 de cojinetes absorbe el empuje axial para impedir que el empuje axial se transmita al motor 14.

El documento US3.828.610 describe la parte pre-caracterizadora de la reivindicación 1.

La invención se define en las reivindicaciones.

Una ventaja de la invención es proporcionar una bomba de barril y un conjunto de accionamiento que no requiera acoplamientos especiales, carcasa de cojinete o cojinetes de motor independientes. Al eliminar costosos acoplamientos y cojinetes, el coste global de fabricación y funcionamiento de la bomba se reduce significativamente.

En una forma de realización de la invención, una bomba tiene una carcasa con un puerto de entrada y un puerto de descarga. Un árbol está colocado dentro de la bomba. Un cojinete de empuje está acoplado al árbol. Una cavidad de cojinete variable según la presión está situada dentro de la carcasa. La cavidad variable según la presión permite contrarrestar el empuje axial en el árbol procedente de las ruedas motrices. El cojinete de empuje tiene un sello anular...

1. Conjunto de cojinetes de empuje para una bomba, que tiene una carcasa (16), un árbol (22), que tiene un eje longitudinal y una posición axial móvil, un puerto de entrada y una cámara de descarga, que comprende:

un sello (90) anular acoplado dentro de dicha carcasa (16);

un disco (86) acoplado a dicho árbol (22) situado adyacente a dicho sello (90), teniendo el sello (90) y el disco un intersticio (98) en medio,

en el que una presión dentro de dicha cavidad (79) de cojinete controla la posición axial de dicho disco (86) y el árbol (22), y

en el que dicho sello (90) anular y dicho disco (86) definen, al menos parcialmente, una cavidad (79) de cojinete, y caracterizado porque

dicha cavidad (79) de cojinete está acoplada, en comunicación de fluidos, a dicha cámara (72) de descarga a través de dicho intersticio (98); y caracterizado adicionalmente

por una vía (102) de retroalimentación que acopla dicha cavidad de cojinete con dicho puerto de entrada.

2. Conjunto de bomba que comprende:

una carcasa (16);

un árbol (22) que puede desplazarse axialmente y tiene un eje longitudinal, en el que el árbol tiene una posición axial desplazable;

una rueda (28) motriz montada en el árbol (22);

un puerto (20) de descarga montado en la carcasa (16); y

un conjunto de cojinete de empuje según la reivindicación 1,

estando dispuesta la cámara (72) de descarga dentro de la carcasa y acoplada en comunicación de fluidos con el puerto (20) de descarga.

3. Conjunto según la reivindicación 2, en el que la rueda (28) motriz tiene un primer diámetro, y el conjunto comprende adicionalmente un anillo (132) de desgaste que tiene un segundo diámetro, teniendo el disco (86) un tercer diámetro comprendido sustancialmente entre el primer diámetro y el segundo diámetro.

4. Conjunto según una de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente un cojinete (110) secundario que tiene un soporte de cojinete secundario acoplado a un resalte (120) de sellado secundario y una superficie (112) anular acoplada al disco (86), teniendo el resalte (120) de sellado secundario y la superficie (112) anular un intersticio (122) de holgura secundario en medio, y estando situado el cojinete secundario, en comunicación de fluidos, entre la cavidad (79) de cojinete y la vía (102) de retroalimentación.

5. Conjunto según la reivindicación 4, en el que el segundo soporte (114) de cojinete tiene pasos (115) de rosca; la cavidad de cojinete está definida adicionalmente por una pared final; y la pared (32) final tiene pasos de rosca para recibir pasos (117) de rosca del soporte (114) de cojinete.

6. Conjunto según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el sello anular comprende un anillo (132) de sellado acoplado a la carcasa (16).

7. Conjunto según la reivindicación 6, en el que el anillo (132) de sellado tiene una sección transversal cónica.

8. Conjunto según la reivindicación 7, en el que el disco es un refuerzo (130) que tiene un borde (134) con una sección transversal cónica.

9. Conjunto según la reivindicación 6, en el que el anillo (132) de sellado tiene una sección transversal rectangular.

10. Conjunto según la reivindicación 9, en el que el disco (86) es un refuerzo (130) que tiene un borde (134) con una sección transversal rectangular.

11. Conjunto según la reivindicación 6, en el que el disco (86) es un refuerzo (130) que tiene un borde (134) con una sección (142) transversal en forma de escalón.

12. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende adicionalmente una pared (80) fundamentalmente cilíndrica, y una pared (82) final y una pared (74) lateral que definen parcialmente la cavidad (79) de cojinete.

13. Conjunto según la reivindicación 12, en el que la pared (74) lateral tiene puertos (96) de estrangulamiento a través de la misma que acoplan, en comunicación de fluidos, la cámara (72) de descarga con la cavidad de cojinete.

14. Conjunto según una de las reivindicaciones precedentes que comprende adicionalmente un soporte (114) de cojinete situado dentro de la carcasa y una cubierta situada dentro de la carcasa y acoplada al soporte de cojinete, situando el soporte de cojinete al sello respecto al disco.

15. Conjunto según la reivindicación 14, en el que el soporte de cojinete tiene un puerto (116) de descarga axial a través del mismo.

16. Conjunto de bomba según la reivindicación 2, que comprende adicionalmente:

una pieza (172) de descarga axial acoplada a la carcasa (16);

un soporte de cojinete acoplado dentro de la carcasa (16),

comprendiendo el soporte de cojinete el puerto de descarga que acopla, en comunicación de fluidos, la cámara de descarga a la pieza de descarga axial; y

una cubierta acoplada al soporte de cojinete, en la que:

el disco (86) comprende un disco de equilibrado;

el sello anular está acoplado a dicho soporte de cojinete; y

dicho disco de equilibrado, dicho sello (24) anular, dicho soporte de cojinete y dicha cubierta definen la cavidad de cojinete en medio de los mismos.

17. Conjunto según la reivindicación 1 o 16, en el que el sello anular tiene una cara axial y una cara radial.

18. Conjunto según la reivindicación 1, 16 o 17, en el que el soporte (181) de cojinete está asegurado a la cubierta (186) mediante un anillo (187) de retención.

19. Conjunto según una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 16 a 18, en el que el árbol (22) se extiende a través del disco (86) de equilibrado.

20. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 16 a 19, que comprende adicionalmente una pieza (188) de cojinete auxiliar acoplada a la cubierta (186) dentro de la cavidad (79) de cojinete adyacente al árbol (22).

21. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 16 a 19, en el que el disco (86) de equilibrado tiene pasos de rosca.

22. Conjunto según la reivindicación 21, que comprende adicionalmente un perno (88) que acopla el disco (86) al árbol (22).

23. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la vía de retroalimentación es un conducto.

24. Conjunto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la vía de retroalimentación es un paso de flujo dentro de la carcasa (16).