Un conjunto de segmentos (20) de empaquetado retráctiles para un aparato que extrae trabajo de la expansión de un fluido de trabajo gaseoso,

comprendiendo dicho aparato un árbol (111) rotatorio dispuesto en una carcasa (101) estando dispuesto, en uso, dicho conjunto retráctil de segmentos de empaquetado en un anillo centrado en un eje definido por dicho árbol para constituir una junta estanco alrededor del mismo, teniendo cada segmento de empaquetado retráctil: una cara (205) interior para sellar contra dicho árbol; una cara (206) exterior que soporta una extensión (209, 211) en forma de T; abarcando dichas caras (205, 206) interior y exterior y dicha extensión (209, 211) extremos (203a, 203b) laterales comunes opuestos cortados paralelamente al radio de dicho eje; y al menos una junta estanco (219) de escobilla dispuesta en la cara interior, teniendo dicha al menos una junta estanco de escobilla extremos opuestos, estando cortado al menos uno de dichos extremos de manera no paralela al radio de dicho eje; caracterizado porque: cada uno de dichos segmentos de empaquetado tiene un muelle o medio (301) similar asociado por el cual dichos segmentos contiguos están predispuestos para alejarse entre sí en la dirección circunferencial de dicho anillo; y un extremo de dicha junta estanco de escobilla de un respectivo segmento de empaquetado que está cortado de manera no paralela al radio de dicho eje se extiende hasta pasado uno de dichos extremos (203a, 203b) laterales comunes y se engancha con un extremo de una junta estanco de escobilla de un segmento de empaquetado contiguo

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la Invención 5

La presente invención se refiere en general a diseños de juntas estanco de escobilla mejoradas para uso en turbinas, tales como turbinas de vapor y turbinas de gas y otros aparatos que extraen trabajo de la dilatación de un fluido de trabajo y, concretamente, a un conjunto de segmentos de empaquetado replegable que tiene al menos una junta estanco de escobilla. 10

2. Breve descripción de la técnica anterior

El uso de turbinas de fluido elástico de flujo axial, tales como turbinas de vapor de flujo axial, desempeña un papel muy importante en la producción de energía eléctrica en nuestra 15 sociedad. Con frecuencia, en una central eléctrica típica, habrá un número de turbinas de vapor que cada una acciona uno o más generadores de energía eléctrica.

En general, cada turbina de vapor comprende un árbol rotable soportado por cojinetes que están encajados en un alojamiento o carcasa. Con el fin de rotar el árbol usando el momento de vapor recalentado (vapor recalentado para turbina de vapor y gases de combustión de 20 hidrocarburo para una turbina “de gas”), una serie de fases de turbina se disponen sucesivamente a lo largo del eje del árbol. Una caldera, típicamente situada fuera a la carcasa de la turbina, está provista con el fin de generar vapor para impulsión de la turbina. Fuera de la carcasa de la turbina hay tubos de vapor que se usan para conducir el vapor desde la caldera a la turbina. Típicamente, las turbinas se clasifican por la presión o rango de presión a la que 25 opera. Unido al extremo de la carcasa de la turbina hay una carcasa que se estrecha llamada cubierta. Al final de la cubierta hay un tubo (el tubo de boquilla) que se une al tubo de la caldera; el sellado del tubo de boquilla al tubo de suministro de vapor se efectúa sellando anillos llamados anillos de boquilla; los anillos de boquilla comprenden dos juegos de anillos que se entrelazan, un juego dispuesto en el exterior del tubo de boquilla y el otro en el interior 30 del tubo de vapor al que conduce el tubo de boquilla. Un ejemplo de este tipo de junta estanco de expansión lo muestra Miller en el documento US 2.863.632 (cuya revelación se incorpora a la presente por referencia).

Cada fase de presión de la turbina tiene un rotor de turbina. Cada rotor tiene una pluralidad de álabes que se extienden radialmente una distancia predeterminada desde el árbol, hacia una 35 banda de cubierta (es decir, recubrimiento) que se extiende circunferencialmente que está asegurada a las partes de espiga de los álabes. Un diafragma fijo está instalado detrás de cada rotor en una junta estanco circunferencial formada en la carcasa de la turbina. La estructura interior del diafragma define un anillo de toberas de vapor dispuestas circunferencialmente alrededor del rotor. Estas toberas están situadas en la misma posición radial que los álabes en 5 su rotor asociado. Estas toberas canalizan el vapor (u otro fluido de trabajo) que entra en esa fase y lo canalizan a los álabes. Para establecer un “sello de punta” con la banda de cubierta de cada rotor de turbina, un anillo de segmentos de bandas de derrame que están soportados desde el diafragma fijo de cada fase con empaquetado que se extiende hasta la banda de cubierta giratoria (banda que está unida a los álabes, que están fijas al rotor, que está rotando). 10 A medida que el vapor se mueve a través de la turbina, una parte de su momento lineal se transforma en el momento angular de los álabes de rotor de cada fase de turbina, con lo que se transmite par de torsión al árbol de la turbina. En fases corriente abajo es necesario normalmente incrementar la longitud de los álabes del rotor y el tamaño de los diafragmas asociados con el fin de extraer energía cinética del fluido de trabajo a una presión reducida. 15

Un problema importante en el diseño de turbinas se refiere a la calidad de las junta estancos de vapor entre los diferentes componentes fijos y rotatorios a lo largo del paso de flujo de vapor de la turbina. En general, hay varias ubicaciones dentro de la turbina donde dichas junta estancos deben establecerse para garantizar una alta eficacia de la turbina.

Una primera ubicación donde son necesarias junta estancos de vapor es entre la parte exterior 20 de cada rotor y su diafragma asociado ha sido efectuada usando un anillo segmentado de banda de derrame del tipo revelado en la patente de EE. UU. Número 5.547.340 incorporada a la presente por referencia. Durante las operaciones de arranque, cuando el rotor presenta modos de operación a baja frecuencia alrededor de su eje, las puntas de la estructura rígida a modo de aleta (por ejemplo, junta estancos de aleta) que se proyectan a lo largo de los 25 segmentos de banda de derrame tienden a rozar contra y/o cortar la banda de cubierta del rotor asociado, causando daños al mismo durante el procedimiento de arranque. Los solamente protectores ofrecidos contra dicha acción de rozamiento han sido diseñar las bandas de derrame para que exista margen suficiente entre las partes de punta de las aletas en las bandas de derrame y la banda de cubierta del rotor. Este enfoque, sin embargo, tiene como 30 resultado la degradación de la junta estanco de punta, permitiendo que el vapor pase a través del área de margen y no a través y sobre los álabes del rotor, reduciendo de este modo el rendimiento de la turbina.

Una segunda ubicación donde son necesarias junta estancos de vapor está entre el rotor y el árbol de la turbina. Crear junta estancos sobre dichas ha sido tratado generalmente a lo largo 35 de los años instalando un empaquetado segmentado entre el rotor y el árbol de la turbina en cada fase de turbina. El empaquetado consta normalmente de una primera estructura de anillo con múltiples filas de aletas (es decir, dientes de junta estanco) en una de las partes y una segunda estructura con múltiples filas de proyecciones superficiales que se corresponden con las aletas. La primera estructura de anillo se monta típicamente desde el diafragma asociado y 5 la segunda estructura de anillo se monta típicamente en el árbol de la turbina. Consecuentemente, las filas de aletas concordantes y alineadas y las estructuras de proyección crean una junta estanco de tipo laberinto que presenta un paso de flujo de alta impedancia al vapor presurizado. Sin embargo, durante la operación de arranque, los modos de operación a baja frecuencia alrededor del eje de la turbina tiende a causar que las partes de 10 punta de cada fila de aletas se desplace radialmente por fuera y por dentro; además, la expansión térmica diferencial, causada a medida que el fluido de trabajo caliente se admite a las fases y cada una calienta hasta la temperatura de funcionamiento puede agravar los daños al empaquetado. Para evitar el roce y el daño de tales estructuras de anillo de empaquetado, es necesario diseñar las aletas y las proyecciones de superficie con suficiente margen para 15 evitar roce de las puntas durante la operación de arranque. Esto, no obstante, degrada necesariamente la calidad de la junta estanco de laberinto.

En las patentes de EE. UU. Números 4.436.311 y 5.395.124 de Brandon (cuyas revelaciones se incorporan a la presente por referencia), el problema del roce de las puntas de aletas en el diseño del anillo de empaquetado ha sido afrontado proporcionando una estructura de anillo de 20 empaquetado segmentado replegable entre cada rotor y el árbol de la turbina. La manera en la que la calidad de la junta estanco de laberinto se mejora con este diseño se describe como sigue. Durante la operación de arranque, cuando predomina la vibración de rotor a baja frecuencia, los segmentos de anillo de empaquetado montados en el diafragma se predisponen por resorte en dirección radial alejándose del árbol de la turbina, reduciendo el riesgo de roce 25 de la parte de punta de aletas y el daño del anillo de empaquetado. A medida que el rotor incrementa su velocidad angular, la vibración a baja frecuencia se reduce de manera natural. Los segmentos de anillo del empaquetado son forzados a acercarse (radialmente hacia adentro) al árbol de la turbina por presión de vapor, mejorando la calidad de la junta estanco de laberinto entre las aletas y las proyecciones de superficie correspondientes opuestas, 30 mejorando de este modo la eficacia de la turbina.

Una solución alternativa al problema del roce de las puntas de aleta en el empaquetado se revela en la publicación de solicitud de patente británica número GB 2 301 635...

Reivindicaciones

1. Un conjunto de segmentos (20) de empaquetado retráctiles para un aparato que extrae trabajo de la expansión de un fluido de trabajo gaseoso, comprendiendo dicho aparato un árbol (111) rotatorio dispuesto en una carcasa (101) estando dispuesto, en uso, dicho conjunto 5 retráctil de segmentos de empaquetado en un anillo centrado en un eje definido por dicho árbol para constituir una junta estanco alrededor del mismo, teniendo cada segmento de empaquetado retráctil: una cara (205) interior para sellar contra dicho árbol; una cara (206) exterior que soporta una extensión (209, 211) en forma de T; abarcando dichas caras (205, 206) interior y exterior y dicha extensión (209, 211) extremos (203a, 203b) laterales comunes 10 opuestos cortados paralelamente al radio de dicho eje; y al menos una junta estanco (219) de escobilla dispuesta en la cara interior, teniendo dicha al menos una junta estanco de escobilla extremos opuestos, estando cortado al menos uno de dichos extremos de manera no paralela al radio de dicho eje;

caracterizado porque: 15

cada uno de dichos segmentos de empaquetado tiene un muelle o medio (301) similar asociado por el cual dichos segmentos contiguos están predispuestos para alejarse entre sí en la dirección circunferencial de dicho anillo; y

un extremo de dicha junta estanco de escobilla de un respectivo segmento de empaquetado 20 que está cortado de manera no paralela al radio de dicho eje se extiende hasta pasado uno de dichos extremos (203a, 203b) laterales comunes y se engancha con un extremo de una junta estanco de escobilla de un segmento de empaquetado contiguo.

2. Un conjunto según la reivindicación 1, en el que ambos extremos de dicha al menos una 25 junta estanco de escobilla están cortados de manera no paralela al radio de dicho eje.

3. Un conjunto según de la reivindicación 2, estando cortado uno de dichos extremos (303) en ángulo para formar una lengüeta que se extiende hasta pasado el extremo de segmento y estando cortado el otro de dichos extremos (305) con el mismo ángulo con respecto a dicho 30 segmento para constituir un surco para aceptar una lengüeta formada por una junta estanco de escobilla en otro dicho segmento de empaquetado.

4. Un conjunto según de la reivindicación 2 ó 3, en el que dicha al menos una junta estanco de escobilla comprende cerdas (219) dispuestas en un soporte (217), estando 35 dispuestos los dichos extremos de la junta estanco de escobilla de manera tal que los respectivos extremos de una cara (221) inferior del soporte que, en uso, es la cara del mismo radialmente exterior, coinciden sustancialmente con la unión entre dicha cara (205) interior y extremos (203a, 203b) de segmento.

5

5. Un conjunto según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes que comprende una pluralidad de dichas juntas estanco.

6. Un conjunto según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicha cara interior incluye una pluralidad de aletas (119). 10

7. Un conjunto según la reivindicación 6, en el que dichas aletas se extienden a diferentes distancias de dicha cara interior.

8. Un aparato que extrae trabajo de la expansión de un fluido de trabajo gaseoso, 15 comprendiendo dicho aparato un árbol (111) rotable y una junta estanco soportada por una carcasa (101), comprendiendo dicha junta estanco un conjunto de segmentos (201) de empaquetado retráctiles, como el reivindicado en una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, dispuesto en un anillo centrado en un eje definido por dicho árbol.

20

9. Un aparato según la reivindicación 8, en el que dichas extensiones en forma de T son recibidas en un surco conformado concordantemente en un diafragma (103) soportado por dicha carcasa (101) y dicho diafragma está dotado con un orificio (307) y/o dichos segmentos están dotados con medios (401) de conducción dispuestos para permitir que el fluido de trabajo entre en dicho surco para forzar los segmentos hacia el árbol. 25