ITMI20060341A1

ITMI20060341A1 - Pala di un rotore di un non stadio di un compressore

Info

Publication number: ITMI20060341A1
Application number: IT000341A
Authority: IT
Inventors: Paolo Arinci; Salvatore Lorusso; Alessio Novori
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-28
Also published as: CN101029647A; KR101433373B1; NO20071076L; EP1826413A3; KR20070089080A; EP1826413A2; EP1826413B1; ATE531944T1; JP2007231946A; CA2579387C; CN101029647B; JP5314852B2; CA2579387A1

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore.

Più precisamente l'invenzione concerne una pala di un rotore ad elevata efficienza aerodinamica di un nono stadio di un compressore.

Il compressore comunemente al suo interno porta in pressione l'aria prelevata esternamente dallo stesso .

Il fluido penetra nel compressore attraverso una serie di condotti di ingresso.

In queste canalizzazioni, il gas presenta caratteristiche di bassa pressione e di bassa temperatura, mentre, nell'attraversamento del compressore, il gas viene compresso e la sua temperatura aumenta.

Per aumentare l'efficienza, solitamente il compressore è suddiviso in più stadi, ciascuno dei quali presenta un rotore ed uno statore rispettivamente dotati di una pluralità di pale.

Negli ultimi anni i compressori tecnologicamente all'avanguardia sono stati ulteriormente migliorati, per ottenere un ulteriore miglioramento dell'efficienza, operando in particolare sulle condizioni aerodinamiche.

La configurazione geometrica delle palettature influenza infatti in modo sensibile l'efficienza aerodinamica .

Ciò dipende dal fatto che le caratteristiche geometriche della pala determinano una distribuzione delle velocità relative nel fluido, influenzando di conseguenza la distribuzione degli strati limite lungo le pareti ed, in ultima analisi, le perdite per attrito .

In particolare, nel caso di palette del rotore di un nono stadio di un compressore è richiesta un'efficienza molto elevata, pur mantenendo un appropriato carico aerodinamico e meccanico.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore che eviti o comunque riduca i problemi di risonanza dovuti alle vibrazioni flessionali, che ridurrebbero la vita del componente, ed allo stesso tempo che consenta una elevata efficienza aerodinamica.

Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un rotore di un nono stadio di un compressore che consenta un'elevata efficienza aerodinamica e che allo stesso tempo consenta di ottenere una elevata affidabilità del compressore con conseguente aumento della potenza della turbina stessa a parità di dimensioni del compressore.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.

Le caratteristiche ed i vantaggi di una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 è una vista in elevazione di una pala di un rotore di un compressore realizzata con un profilo aerodinamico secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una vista in elevazione del lato opposto della pala di figura 1; e

la figura 3 è un diagramma dell'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la presente invenzione, rispetto alla sua altezza.

Con riferimento alle figure viene fornita una pala 10 di un rotore di un nono stadio di un compressore.

Detta pala 10 è definita mediante coordinate di un insieme discreto di punti, in un sistema di riferimento cartesiano X, Y, Z, in cui l'asse Z è un asse radiale intersecante l'asse centrale del compressore, non mostrato.

Il profilo della pala 10 è individuato mediante una pluralità di curve chiuse di intersezione tra il profilo stesso e piani (X, Y) giacenti a distanze Z dall'asse centrale.

Il profilo di detta pala 10 comprende una prima superficie 3 sostanzialmente concava, che risulta in pressione, ed una seconda superficie 5 sostanzialmente convessa che risulta in depressione e che è opposta alla prima.

Le due superfici 3, 5 sono continue e raccordate tra loro, ed insieme formano il profilo di detta pala 10 .

Ad una porzione di base 12, comunemente chiamata "piede" della pala 10, secondo tecnica nota è previsto un raccordo di collegamento con il profilo aerodinamico della pala 10 stessa, detta porzione di base 12 essendo atta ad essere fissata a detto rotore di detto compressore.

Detta pala 10 comprende un ispessimento 30, ossia una porzione allungata avente uno spessore maggiorato rispetto alle porzioni adiacenti, il quale risulta sostanzialmente parallelo a detta porzione 12 di base in modo tale da spostare le frequenze proprie di risonanza di detta pala 10 al di fuori di un intervallo di frequenze di funzionamento del rotore stesso, riducendo o comunque evitando problemi di instabilità e vibrazionali della pala 10 e del rotore.

Vantaggiosamente questo comporta un aumento sia della vita utile sia della affidabilità del rotore e del compressore stesso.

Detto ispessimento 30 è relativo ad almeno una sezione o curva chiusa, ed inoltre è disposto sostanzialmente a metà dell'altezza della pala 10 stessa.

In altri termini, detto ispessimento 30 conferisce a detta pala 10 un comportamento dinamico tale da presentare delle frequenze proprie flessionali che ricadono al di fuori di un intervallo di velocità di funzionamento del rotore di detto compressore e quindi tali da non presentare una intensificazione della deformazione massima flessionale della pala durante il funzionamento del compressore.

Questo determina, conseguentemente, una migliore prestazione del compressore, del rotore e una maggiore vita utile dei componenti dello stesso, in quanto si evitano problemi di risonanza quali quelli precedentemente descritti.

Conseguentemente, si possono quindi dimensionare i giochi e le tolleranze della pala e dello statore in modo tale da aumentare ulteriormente le prestazioni del compressore stesso.

Questo è possibile in quanto si evita che la pala 10, deformandosi, possa determinare un contatto ed un relativo sfregamento sul relativo statore.

In particolare ciascuna curva chiusa presenta uno spessore massimo determinato dalla massima distanza tra detta prima superficie 3 e detta seconda superficie 5.

Detto spessore massimo di ciascuna curva chiusa, lungo l'altezza della pala 10, andando verso una estremità libera 14 della pala 10, presenta un andamento dapprima decrescente, poi crescente, quindi nuovamente decrescente ed infine crescente, con due inclinazioni diverse, detta pala 10 comprendendo un ulteriore ispessimento sostanzialmente parallelo a detta porzione di base 12 e disposto in particolare in prossimità di detta estremità libera 14.

A titolo esemplificativo, la variazione dell'andamento dello spessore massimo è mostrato nella figura 3, in cui è confrontato con l'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la tecnica nota. In particolare, nella figura 3, sulle ascisse è indicata l'altezza della pala 10, mentre sulle ordinate è rappresentato lo spessore massimo della pala 10, adimensionalizzato ponendo pari ad 1 lo spessore in corrispondenza del piede della pala. Nel diagramma mostrato in figura 3, la linea inferiore rappresenta l'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la tecnica nota, mentre la linea superiore mostra l'andamento dello spessore massimo della pala secondo la presente invenzione.

Preferibilmente, lungo l'altezza della pala 10 in direzione di una estremità libera 14 della pala 10, detto spessore massimo presenta un andamento che può essere descritto da quattro diverse funzioni matematiche, identificative di quattro diverse regioni della pala.

Nella prima regione, quella più prossima al piede della pala 10, fino ad un'altezza pari al 45% dell'altezza della pala, l'andamento dello spessore massimo può essere descritto da una funzione polinomiale di quarto grado (dapprima decrescente e successivamente crescente) ed in particolare detta funzione polinomiale è:

Tmax = -34 . 522* h<4>+ 36.4*h<3>- 8 . 4113*h<2>

0 . 7259*h 0 . 9961

in cui h rappresenta la percentuale dell'altezza della pala 10, ed in cui Tmax è lo spessore massimo adimensionalizzato relativo a quella curva chiusa corrispondente a quella percentuale dell'altezza della pala 10.

Nella successiva regione, compresa tra il 45% e il 58% dell'altezza della pala 10, lo spessore varia secondo la funzione lineare (decrescente):

Tmax = -1.3509*h 1.4459

Quindi, tra il 58% e l'86% dell'altezza della pala 10, l'andamento dello spessore è rappresentato dalla funzione lineare (crescente):

Tmax = 0.2074*h 0.5443

Infine, tra l'86% e l'estremità libera 14 della pala, lo spessore massimo varia secondo la funzione lineare (crescente):

Tmax = 0.9058*h - 0.0518

Il profilo di ciascuna pala 10 è stato inoltre opportunamente sagomato per poter mantenere l'efficienza stessa a livelli elevati.

Il profilo aerodinamico di ciascuna pala 10 è preferibilmente definito mediante una pluralità di curve chiuse le cui coordinate sono definite rispetto ad un sistema di riferimento cartesiano X, Y, Z, in cui l'asse Z è un asse radiale intersecante l'asse centrale della turbina, e tali curve chiuse giacenti a distanze Z dall'asse centrale sono definite secondo la tabella I, i cui valori, espressi in millimetri, sono riferiti ad un profilo aerodinamico a temperatura ambiente, in particolare a 25 °C.

Tabella I

Continua tabella

9

Continua tabella Continua tabella

Allo stesso tempo, ciascuna pala 10 presenta quindi un profilo aerodinamico che permette di mantenere una elevata efficienza di conversione e una elevata vita utile.

Inoltre, il profilo aerodinamico della pala 10 secondo l'invenzione è ottenuto con i valori di tabella I impilando la pluralità di curve chiuse fra loro e raccordandole in modo da ottenere un profilo aerodinamico continuo.

Per tenere conto della variabilità dimensionale di ciascuna pala 10, il profilo di ciascuna pala 10 può presentare una tolleranza di /- 2 mm in direzione normale al profilo della pala 10 stessa.

Il profilo di ciascuna pala 10 può inoltre comprendere un rivestimento, applicato successivamente e tale da far variare il profilo stesso.

Preferibilmente, detto rivestimento antiusura presenta uno spessore definito in direzione normale a ciascuna superficie della pala 10 e compreso tra 0 e 0,5 mm.

Inoltre è chiaro che i valori delle coordinate di tabella I possono essere moltiplicate o divise per una costante correttiva per ottenere un profilo in scala maggiore o minore, mantenendo la stessa forma.

In accordo ad un altro aspetto della presente invenzione, viene fornito un rotore di un nono stadio di un compressore comprende una pluralità di pale 10 del tipo precedentemente descritto, ciascuna delle quali avente un profilo aerodinamico sagomato, le quali risultano fissate ad una superficie esterna di detto rotore in modo tale da risultare uniformemente distanziate sulla stessa, ed inoltre orientate in modo tale da consentire una elevata efficienza al compressore in cui detto rotore è preferibilmente inserito .

In accordo ad un altro aspetto della presente invenzione viene fornito un compressore comprendente un rotore del tipo precedentemente descritto.

Si è così visto che una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati.

La pala di un rotore di un nono stadio di un compressore della presente invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo.

Inoltre, in pratica i materiali utilizzati, nonché le loro dimensioni ed i componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Pala (10) di un rotore di un nono stadio di un compressore, la quale è definibile mediante coordinate di un insieme discreto di punti, in un sistema di riferimento cartesiano (X, Y, Z), in cui l'asse (Z) è un asse radiale intersecante l'asse centrale del compressore, detta pala (10) presentando un profilo il quale è individuabile mediante una pluralità di curve chiuse di intersezione tra il profilo stesso e piani (X, Y) giacenti a distanze (Z) dall'asse centrale, detta pala (10) essendo caratterizzata dal fatto di comprendere un ispessimento (30), sostanzialmente parallelo ad una porzione di base (12) della pala (10) stessa, fissabile a detto rotore, detto ispessimento (30) essendo disposto sostanzialmente a metà altezza della pala (10) ed essendo suscettibile di spostare le frequenze naturali di risonanza della pala (10) stessa al di fuori di un intervallo di frequenze di funzionamento di detto rotore.
2. Pala (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere un ulteriore ispessimento, sostanzialmente parallelo a detta porzione di base (12) e disposto in particolare in prossimità di una estremità libera (14).
3. Pala (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto di comprendere un profilo il quale è individuato da una prima superficie (3) sostanzialmente concava, che risulta in pressione, ed una seconda superficie (5) sostanzialmente convessa che risulta in depressione e che è opposta alla prima, dette due superfici (3, 5) essendo continue e raccordate tra loro per formare il profilo di detta pala 10.
4. Pala (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che ciascuna curva chiusa presenta uno spessore massimo determinato dalla massima distanza tra detta prima superficie (3) e detta seconda superficie (5), detto spessore massimo di ciascuna curva chiusa, lungo l'altezza della pala 10 in direzione di una estremità libera (14) della pala (10), presentando un andamento dapprima decrescente, poi crescente, quindi nuovamente decrescente ed infine crescente, con un punto di discontinuità dell'inclinazione.
5. Pala (10) secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che lungo l'altezza della pala (10) in direzione della sua estremità libera (14), detto spessore massimo presenta un andamento in accordo con le seguenti, in cui h rappresenta l'altezza della pala (10), espressa in percentuale dell'altezza totale della pala (10), ed in cui Tmax è lo spessore massimo adimensionalizzato relativo alla curva chiusa corrispondente all'altezza: Tmax = -34.522*h<4>+ 36.4*h<3>- 8.4113*h<2>-0.7259*h 0.9961 per valori dell'altezza compresi tra 0 e 45%; Tmax = -1.3509*h 1.4459 tra il 45% e il 58% dell'altezza; Tmax = 0.2074*h 0.5443 tra il 58% e l'86% dell'altezza; e Tmax = 0.9058*h - 0.0518 tra l'86% e il 100% dell'altezza.
6. Pala (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette curve chiuse sono definite secondo la tabella I, i cui valori espressi in millimetri, sono riferiti ad un profilo a temperatura ambiente.
7. Pala (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il profilo di ciascuna pala (10) presenta una tolleranza di /- 2 mm in direzione normale al profilo della pala (10) stessa.
8. Pala (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il profilo di ciascuna pala (10) comprende un rivestimento antiusura.
9. Pala (10) secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detto rivestimento presenta uno spessore compreso tra 0 e 0,5 mm.
10. Rotore di un nono stadio di un compressore, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di pale (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-9.
11. Rotore secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta pluralità di pale (10) è vincolata ad una superficie esterna di detto rotore ed inoltre detta pluralità di pale (10) risulta uniformemente distribuita sulla stessa al fine di massimizzare l'efficienza del rotore stesso.
12. Compressore caratterizzato dal fatto di comprendere un rotore secondo la rivendicazione 10 o 11.