MEJORAS RELATIVAS A JUNTAS DE SELLADO FRONTALES SIN CONTACTO Y COJINETES DE EMPUJE.

Aparato para separar dos superficies enfrentadas en rotación relativa en uso haciendo pasar gas entre las superficies,

incluyendo el aparato: una primera parte (1) que define una superficie (3) generalmente troncocónica que forma parte de un cono circular recto; una segunda parte (2) que define al menos una superficie plana dispuesta adyacente a la primera parte de modo que las dos superficies se sitúan enfrentadas entre sí y definen al menos un punto de acoplamiento más próximo entre las superficies, con espacios divergentes que se extienden entre las superficies a ambos lados de un plano que contiene el punto o puntos de acoplamiento más próximo y que se extiende generalmente ortogonal a la dirección de rotación relativa, y un dispositivo (4) para desviar la superficie plana hacia la superficie troncocónica para mantener los espacios dentro de un rango dimensional predeterminado

Mejoras relativas a juntas de sellado frontales sin contacto y cojinetes de empuje.

Las juntas de sellado de aspiración automática pueden usarse para un sellado parcial frente a la fuga de gases entre los conjuntos rotatorios y estáticos de un motor. Se evita que los elementos de sellado entren en contacto físico mediante la interposición de una película de gas a presión, generándose la presión automáticamente mediante la velocidad rotacional relativa entre los elementos de sellado.

En un campo de operación alternativo, una presión de gas generada automáticamente similar puede usarse para la reacción entre los elementos rotatorios y estáticos, para proporcionar la fuerza de reacción axial en una aplicación de cojinete de empuje.

Se apreciará que la presión de gas generada automáticamente existente entre los elementos de sellado puede aplicarse de igual manera a conjuntos que son ambos rotatorios, pero a diferentes velocidades, como, por ejemplo, cuando se sellan los espacios anulares entre los conjuntos rotatorios de motores de turbina de gas de múltiples ejes. El entorno que rodea a tales motores es demasiado caliente para permitir el uso de materiales de sellado a base de polímeros flexibles. En tales situaciones, un método ampliamente conocido es emplear trayectorias de sellado sin contacto ya sea en forma de laberintos o de elementos enfrentados situados de manera próxima, ya sea individualmente o en combinación.

Para una junta de sellado anular de turbina de gas típica de diámetro medio = 914 mm (36 pulgadas), el espacio entre los elementos de sellado frontales anulares se situará en el intervalo de 0,038 mm a 0,076 mm (0,0015 a 0,0030 pulgadas) con el fin de mantener la fuga de gas a través de la junta de sellado dentro de límites de rendimiento aceptables. En los motores de turbina de gas en los que las altas temperaturas de funcionamiento provocan movimientos relativamente grandes y distorsiones de componentes adyacentes, un método común para lograr la estrecha tolerancia de espacio frontal entre los componentes estáticos y dinámicos de la junta de sellado es conferir un movimiento axial controlado mediante elementos de resorte, o mediante gas a presión que actúa sobre una zona anular, a uno de los componentes e introducir un suministro de gas a presión al interior del espacio anular entre los elementos estáticos y dinámicos. El gas forma una delgada película aerostática entre los elementos estáticos y rotatorios del conjunto de sellado.

El rendimiento de fuga de tales conjuntos de sellado de gas puede mejorarse en algunos casos proporcionando una trayectoria de flujo laberíntico de gas adicional o una única trayectoria restringida orientada de manera axial (en ocasiones conocida como barrera de aire) y situar esta trayectoria de flujo restringido en serie con la trayectoria de flujo aerostático orientada de manera radial.

El documento US 5.399.024 describe una junta de sellado frontal con almohadillas de empuje hidrodinámico. La junta de sellado comprende una estructura de anillo con un lado frontal dirigido en una dirección axial que tiene una cara de sellado continua alrededor de la estructura de anillo y una pluralidad de recortes con superficies cóncavas separadas de manera concéntrica alrededor de la cara de sellado. Las almohadillas de empuje están unidas a laminados elastoméricos que tienen un lado convexo, que están unidos a las superficies cóncavas, de tal manera que un lado de las almohadillas de empuje están todos en un plano paralelo al plano de la cara de sellado. Cuando se transmite una carga de cierre a lo largo de un elemento opuesto mediante la presión de sellado contra la cara trasera del conjunto, fuerzas de fricción y presión provocan que las almohadillas de empuje giren alrededor de un punto de pivote de tal manera que la película de fluido converge en la dirección de movimiento del elemento opuesto. Simultáneamente, la cara de sellado se sella contra el elemento opuesto.

Realizaciones de la presente invención pueden mejorar el rendimiento de sellado en términos de tasas de fuga de gas y ayudar a eliminar el peso y complejidad adicional que resulta de la necesidad de proporcionar un suministro de gas separado para mantener la película de gas aerostático entre los elementos estáticos y rotatorios del conjunto de sellado. (En elementos en rotación relativa, el elemento más lento desempeña el papel de elemento estático). Esto puede conseguirse proporcionando una serie de trayectorias de gas en forma de cuña rodeando la corona de sellado. El gas adyacente al elemento rotatorio normalmente experimenta un efecto de arrastre generado por la fricción y se aspira hacia el interior de los espacios en forma de cuña y así se comprime antes de pasar a través de los espacios más estrechos entre los elementos de estator y rotor y, por tanto, permitiéndosele expandirse antes de entrar en el siguiente espacio en forma de cuña en la circunferencia de sellado o escapar al interior del espacio de gas circundante. Los elementos normalmente estáticos que forman las trayectorias de gas en forma de cuña pueden desviarse mediante resorte en la dirección axial en relación con el elemento rotatorio de tal manera que las presiones integradas, establecidas en las zonas asociadas de los elementos estáticos proporcionan fuerzas dirigidas axialmente que equilibran las fuerzas elásticas a las velocidades operativas del elemento rotatorio. Esto puede dar como resultado que los elementos estáticos "estén montados sobre un cojín de gas" que, en la práctica, puede diseñarse para proporcionar espacios estables muy pequeños en las posiciones más próximas de los elementos rotatorios y estáticos, normalmente espacios del orden de 0,025 mm (0,001 pulgadas) o menos.

Pueden formarse los espacios de gas en forma de cuña fabricando la superficie anular del elemento estático en forma de "placas" con caras planas que pueden tener forma aproximadamente rectangular o proporcionadas en conjuntos de tope para formar una forma anular. Las superficies de placa pueden actuar conjuntamente con una superficie cónica del elemento rotatorio. La forma anular formada por dichas placas puede estar interrumpida, teniendo placas diferenciadas separadas uniformemente alrededor de la circunferencia y que actúan conjuntamente con el elemento rotatorio cuando están usándose las placas sólo para generar sólo una fuerza axial y no están usándose tanto para generar una fuerza como para actuar como un elemento de sellado de gas.

Cada placa puede estar situada en un centro de pivote o fulcro situado en el lado de la placa opuesto al lado que actúa conjuntamente con el elemento rotatorio. El fulcro puede estar dotado de medios de guiado de modo que la placa puede moverse en un eje paralelo al eje de rotación e impulsarse contra el elemento rotatorio mediante una fuerza axial que puede generarse mediante medios de resorte, por ejemplo. El fulcro puede estar descentrado del centro geométrico de la placa y proporciona una libertad de orientación limitada de la placa mediante un cojinete de contacto esférico en el centro del fulcro. Esta disposición es tal que, cuando el elemento rotatorio está estático, sin generarse presión de gas en la superficie cónica, la placa puede establecer un contacto lineal con la superficie cónica, estando dicha línea en el mismo plano radial que el fulcro.

La superficie cónica rotatoria y las superficies de las placas de actuación conjunta pueden estar en contacto durante un corto periodo de tiempo durante una secuencia de arranque hasta que la velocidad del motor ha aumentado lo suficiente para generar la presión de gas requerida en los espacios en forma de cuña, de tal manera que la fuerza axial de separación justo equilibra la fuerza de resorte u otras fuerzas que impulsan las placas contra la superficie cónica. Por este motivo las superficies de actuación conjunta pueden endurecerse lo suficiente para soportar el corto periodo de funcionamiento en contacto.

Cuando se usa el cono rotatorio y las placas de actuación conjunta en una aplicación de sellado de gas hay diseños alternativos que pueden usarse.

En un diseño las propias placas se usan como los elementos de sellado normalmente estáticos y también como los medios de generación de los pequeños espacios llenos de gas entre los elementos estáticos y rotatorios. En esta realización las placas pueden hacer tope de manera suelta para formar una superficie anular de sellado completa; los topes radiales están diseñados para permitir un pequeño grado de movimiento de inclinación alrededor de cada fulcro de placa.

1. Aparato para separar dos superficies enfrentadas en rotación relativa en uso haciendo pasar gas entre las superficies, incluyendo el aparato:

una primera parte (1) que define una superficie (3) generalmente troncocónica que forma parte de un cono circular recto;

una segunda parte (2) que define al menos una superficie plana dispuesta adyacente a la primera parte de modo que las dos superficies se sitúan enfrentadas entre sí y definen al menos un punto de acoplamiento más próximo entre las superficies, con espacios divergentes que se extienden entre las superficies a ambos lados de un plano que contiene el punto o puntos de acoplamiento más próximo y que se extiende generalmente ortogonal a la dirección de rotación relativa, y

un dispositivo (4) para desviar la superficie plana hacia la superficie troncocónica para mantener los espacios dentro de un rango dimensional predeterminado.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que las superficies (2, 3) se acoplan en el punto de acoplamiento más próximo cuando las partes no rotan una en relación a la otra.

3. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda parte incluye un portador (44) y al menos un elemento (2) de placa montado sobre el portador para definir la superficie plana.

4. Aparato según la reivindicación 3, en el que el o cada elemento (2) de placa está montado de manera pivotante sobre el portador (44).

5. Aparato según la reivindicación 1, en el que la segunda parte (2) define una pluralidad de superficies separadas sustancialmente planas dispuestas circunyacentes a la superficie (3) troncocónica para definir respectivos puntos de acoplamiento más próximo y espacios asociados, incluyendo el aparato además una pluralidad de dichos dispositivos (4) de desvío, estando asociado cada uno de dichos dispositivos de desvío con una de dichas respectivas superficies (2) planas.

6. Aparato según la reivindicación 5, en el que las superficies (2, 3) están situadas relativamente en la dirección de rotación relativa de tal manera que los pares de torsión generados sobre la superficie plana por el gas que se hace pasar se equilibran alrededor del punto o puntos de acoplamiento más próximo.

7. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye un mecanismo para hacer rotar la primera parte (1).

8. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera parte (1) y/o la segunda parte (2) están formadas de o revestidas con un material cerámico.

9. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie (3) generalmente troncocónica es cóncava o convexa.

10. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en el que el dispositivo (4) de desviación incluye un resorte ondulado, un cojinete de empuje y/o un conjunto de resortes abatibles.

11. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además una tercera parte (2') que define al menos una superficie plana dispuesta adyacente a una superficie troncocónica adicional en la primera parte (1) y sustancialmente opuesta a la segunda parte (2) de tal manera que las fuerzas generadas por las partes segunda y tercera son sustancialmente iguales y opuestas.

12. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además una conexión (14) de empuje para transmitir empuje, pero no rotación.

13. Aparato según la reivindicación 12, en el que la primera parte (1) está conectada a o proporciona una primera superficie (28) de sellado, y la segunda parte (2) está conectada a o proporciona una segunda superficie (31) de sellado que forma una junta de sellado con la primera superficie de sellado.

14. Aparato según la reivindicación 13, en el que la segunda superficie (31) de sellado está situada dentro de un alojamiento (34) que tiene un anillo (40), pudiendo deslizarse la segunda superficie de sellado sobre el anillo de modo que puede entrar en contacto con y separarse de la primera superficie (28) de sellado, incluyendo el alojamiento un rebaje (33) detrás de la segunda superficie (31) de sellado.

15. Aparato según la reivindicación 14, en el que el dispositivo de desviación es o incluye un resorte (37) ondulado axial alojado en el rebaje (33).

16. Aparato según la reivindicación 14 ó 15, en el que el anillo (40) incluye una parte (41) vertical para retener los componentes de la junta de sellado juntos en una condición preensamblada.

17. Aparato según la reivindicación 16, en el que la parte (41) vertical forma una barrera (39) de aire.

18. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 17, en el que el dispositivo (37) de desviación desvía una de dichas superficies (2) planas hasta entrar en contacto con la primera parte (1) cuando la primera parte deja de rotar.

19. Aparato según la reivindicación 18, que incluye una junta (61) de sellado frontal rotatoria que está formada al menos parcialmente de o revestida con un material (63) erosionable de modo que, en caso de que falle la placa, las fuerzas desequilibradas conducen unas cuchillas (65) de corte en un portador (64) de placa en contacto con el material de modo que se elimina por erosión, impidiéndose así un contacto entre la superficie de equilibrado de presión y la superficie de sellado radial.

20. Aparato según la reivindicación 18, que incluye un portador (64) de placa que está formado al menos parcialmente de o revestido con un material erosionable de modo que, en caso de fallo de la placa, las fuerzas desequilibradas conducen unas cuchillas de corte en una junta (61) de sellado frontal rotatoria hacia el material erosionable, eliminándose el material por erosión, impidiéndose así un contacto entre una superficie de equilibrado de fuerzas y una superficie de sellado radial.

21. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además un portador (44) de placa que puede moverse axialmente que define una superficie (48) de sellado radial para formar, con una superficie (49) de sellado radial adicional, una junta de sellado radial para separar zonas (P₁, P₂) de presión interna y externa y una superficie (45) de sellado axial que actúa conjuntamente con una junta (46) de sellado que puede deslizarse axialmente para separar las zonas de presión interna y externa, con lo cual la ubicación radial de la junta de sellado se selecciona de tal manera que la presión aplicada por las zonas de presión interna y externa a la superficie de sellado radial se equilibra sustancialmente por al menos las presiones interna y externa aplicadas a respectivas superficies de equilibrado de presión que se oponen a la superficie de sellado radial.

22. Aparato según la reivindicación 21, que incluye un anillo (47) de pistón entre la superficie (45) y la junta (46) de sellado, en el que el portador (44) de placa está dotado de una superficie (52) de deslizamiento cilíndrica que contiene una ranura en la que se encaja un anillo (53) de sellado de pistón, actuando la superficie de deslizamiento y el anillo de sellado de pistón conjuntamente con una perforación cilíndrica formada en un elemento (54) trasero estático de junta de sellado, de tal manera que la perforación cilíndrica junto con la superficie (46) cilíndrica y el portador de placa definen un espacio (55) anular cerrado, que incluye además una válvula para ventilar el espacio (55) de gas encerrado.

23. Aparato según la reivindicación 22, en el que la ventilación del espacio (55) de gas encerrado hace que el portador (44) de placa se desacople de la superficie (49) de sellado radial adicional.