ITMI20061086A1 - Dispositivo per ottimizzare il raffreddamento nelle turbine a gas - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell' invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un componente per turbine a gas e, più in particolare, ad un dispositivo che agevola il raffreddamento della ruota turbina del primo stadio di una turbina a gas.

Una turbina a gas, detta anche turbina a combustione, è una macchina motrice rotativa che trasforma l'energia potenziale contenuta nel flusso di gas combusti in energia meccanica trasmessa ad un albero rotante.

La turbina comprende solitamente un compressore o turbocompressore al cui interno viene portata in pressione l'aria prelevata dall'esterno. Nella o nelle camere di combustione vari ugelli alimentano quindi il combustibile, che si mescola all'aria per formare una miscela di innesco aria-combustibile.

Il compressore, di tipo assiale, è trascinato dalla turbina propriamente detta, che eroga energia meccanica trasformando l'entalpia dei gas combusti nella camera di combustione.

In talune applicazioni il salto di espansione è suddivìso in due salti parziali, ciascuno dei quali avviene all'interno di una turbina. La turbina di alta pressione o di primo stadio, a valle della camera di combustione, trascina il compressore, mentre la turbina di bassa pressione o di secondo stadio, che raccoglie i gas provenienti dalla turbina di alta pressione, è poi collegata all'utilizzatore.

Il compressore, la camera di combustione, i vari stadi turbina, l'albero di uscita, il sistema di controllo e il sistema di avviamento costituiscono le parti essenziali di un impianto di una turbina a gas.

Per quanto riguarda il funzionamento di una turbina a gas, è noto che l'aria viene aspirata nel compressore attraverso un di condotto di ingresso. In questo condotto, l'aria presenta caratteristiche di bassa pressione e di bassa temperatura mentre, nell'attraversamento del compressore, la sua pressione e la sua temperatura aumentano. L'aria penetra poi nella/e camera/e di combustione, dove partecipa al processo dì combustione con conseguente ulteriore rilevante aumento di temperatura.

Il combustibile può essere di tipo liquido o gassoso e viene introdotto nella camera di combustione mediante appositi ugelli. L'innesco della combustione, all'avviamento della macchina, è ottenuto mediante candele dì accensione.

Uscito dalla camera di combustione, il gas ad alta pressione ed alta temperatura, risultato della combustione, giunge agli stadi turbina ove cede parte dell'energia accumulata nel compressore e nella camera di combustione e fluisce poi all'esterno tramite canalizzazioni di scarico.

Nelle turbine a gas, solitamente, le ruote turbina devono essere sottoposte a raffreddamento per mantenere delle temperature di funzionamento compatibili con le caratteristiche del materiale delle ruote turbina stesse. Il raffreddamento viene di norma effettuato per mezzo di flussi d'aria, estratta dal compressore assiale ed opportunamente convogliata, che viene poi inviata radialmente verso l'esterno attraverso gli interspazi tra la superficie di ciascuna ruota turbina e lo statore. Questi flussi di aria lambiscono le superfici delle ruote turbina, raffreddandole.

In particolare, in alcune applicazioni di tipo noto, in corrispondenza della mandata del compressore è installato un sistema di tenuta a labirinto, costituito cioè da dei canali con una serie di allargamenti e contrazioni di sezione, oppure un sistema di tenuta di altro tipo. Il flusso di aria che trafila da detta tenuta va ad effettuareil raffreddamento della superficie anteriore (lato compressore) della ruota turbina di primo stadio.

Talvolta, per un'eccessiva tenuta del sistema a labirinto oppure per altre cause, il flusso d'aria di raffreddamento può risultare insufficiente. La conseguenza di ciò è l'aumento oltre i limiti accettabili delle temperature misurate in corrispondenza dell'interspazio anteriore tra la ruota turbina di primo stadio e lo statore, e quindi anche l'aumento della temperatura nella ruota turbina stessa. Ciò può portare come risultato ad una drastica riduzione della vita operativa della ruota turbina.

Per riportare dette temperature entro valori considerati accettabili è quindi necessario incrementare il flusso d'aria di raffreddamento proveniente dal compressore, tale incremento essendo possibile, nelle turbine di tipo noto, aumentando i giochi del sistema di tenuta oppure praticando uno o più fori di diametro opportuno nell'involucro interno in corrispondenza della mandata del compressore e delle canalizzazioni dell'aria di raffreddamento. Per essere attuate, in turbine preesistenti, entrambe le soluzioni richiedono però lo smontaggio di diversi componenti, risultando pertanto costose ed imponendo lunghi tempi d'inattività per l'intera macchina.

Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare un dispositivo, in particolare per il raffreddamento della superficie anteriore della ruota turbina di primo stadio di una turbina a gas, in grado di risolvere i sopraccitati inconvenienti, permettendo di ottenere flussi d'aria di raffreddamento aggiuntivi e variandone la portata, senza però effettuare onerosi smontaggi né lavorazioni/sostituzioni dei componenti principali della macchina.

Altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo per turbine a gas poco costoso, semplice e rapido da installare, in modo tale da minimizzare i tempi di fermo macchina e i costi nell'eventualità sia di una sua installazione su turbine preesistenti che di una sua successiva ulteriore sostituzione per ottimizzare il flusso di aria di raffreddamento.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo per ottimizzare il raffreddamento della ruota turbina di un primo stadio di una turbina a gas come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.

Le caratteristiche ed i vantaggi del dispositivo per ottimizzare il raffreddamento nelle turbine a gas 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 sezione che mostra la zona del primo stadio di una turbina a gas di tipo noto;

la figura 2 è una vista in sezione che mostra la zona del primo stadio di una turbina a gas dotata del dispositivo per ottimizzare il raffreddamento secondo la presente invenzione;

la figura 3 è una vista ingrandita in sezione di una parte del dispositivo secondo la presente invenzione, installato nella turbina a gas;

la figura 4 è una vista laterale del dispositivo secondo la presente invenzione;

la figura 5 è una vista in sezione trasversale ottenuta lungo la linea B-B di figura 4;

la figura 6 è una vista in sezione longitudinale del dispositivo secondo la presente invenzione; e

la figura 7 è una vista ingrandita in sezione del particolare indicato con C in figura 6.

Con riferimento in particolare alle figure 1 e 2 dei disegni allegati, vengono mostrati parte di una camera di combustione dì una turbina a gas, indicata con il numero di riferimento 10, alcuni stadi di pale 40 dal lato mandata di un compressore assiale, le pale 12 della turbina di primo stadio, la ruota turbina di primo stadio 14, un involucro esterno 16 e un involucro interno 32.

Sull'estremità dell'involucro interno 32 rivolta verso il compressore è installato un sistema di tenuta 18 attraverso cui trafila l'aria, proveniente dal compressore, destinata al raffreddamento della superficie anteriore (lato compressore) della ruota turbina di primo stadio 14.

Con il numero di riferimento 34 viene quindi indicato un cuscinetto portante del rotore di alta pressione 38, con le relative tenute 36 per l'olio lubrificante. L'altro cuscinetto portante e il cuscinetto reggispinta sono disposti sul lato aspirazione del compressore assiale e non sono mostrati.

Attraverso un'opportuna canalizzazione 20, l'aria di raffreddamento viene inviata, in base al percorso indicato con le frecce rappresentate nelle figure 1 e 2, verso l'interspazio tra la ruota turbina di primo stadio 14 e le parti statoriche, in modo tale da lambire la superficie anteriore (lato compressore) della ruota turbina di primo stadio 14, raffreddandola e prevenendo anche l'ingresso di gas caldi nell'interspazio stesso.

E' infine previsto un tubo di sfiato 22 (fig. 1) in comunicazione con l'esterno, la cui funzione è quella di mantenere una pressione dell'aria adeguata nelle tenute 36 del cuscinetto 34, onde consentire un ottimale sbarramento dell'olio lubrificante senza pressurizzare il condotto di scarico dell'olio stesso.

Tale tubo di sfiato 22 ha la caratteristica di poter essere installato e rimosso dall'esterno della macchina. Infatti esso è· bloccato sull'involucro esterno 16 tramite mezzi di fissaggio 2B ed è semplicemente infilato in un apposito alloggiamento previsto nell'involucro interno 32.

In figura 1 si può notare come, per incrementare il flusso d'aria di raffreddamento verso la faccia anteriore della ruota turbina 14, sia stato finora necessario, in alternativa ad una più complicata modifica del sistema di tenuta 18, realizzare uno o più fori 24 direttamente sull'involucro interno 32, in modo tale da aumentare la portata d'aria complessiva diretta verso la ruota turbina 14 stessa.

In figura 2 viene mostrato invece il dispositivo 30 per ottimizzare il raffreddamento nelle turbine a gas secondo la presente invenzione, installato nella macchina in sostituzione del tubo di sfiato 22. Il dispositivo 30 è illustrato in dettaglio nella figura 3 e nelle figure successive ed è realizzato nella forma di un condotto. Esso, pur svolgendo inalterata la funzione di mantenere una pressione dell'aria adeguata nelle tenute 36 del cuscinetto 34, è in grado di indirizzare una quantità aggiuntiva di aria di raffreddamento nella canalizzazione 20 senza la necessità di fori aggiuntivi sull'involucro interno 32 e senza la necessità di modificare il sistema di tenuta 18.

Più in particolare, e con riferimento specifico alla figura 3 ed alle figure successive, sulla superficie esterna del condotto che forma il dispositivo 30 oggetto dell'invenzione sono previste una o più scanalature 26 che permettono, una volta che il dispositivo 30 stesso è stato montato in posizione operativa inserito nell'apposita apertura circolare dell'involucro interno 32 e bloccato sull'involucro esterno 16 per mezzo degli elementi di fissaggio 28, il passaggio di portate aggiuntive d'aria dal compressore verso la canalizzazione 20, così da incrementare il flusso complessivo di aria di raffreddamento verso la superficie anteriore della ruota turbina 14.

In base all'esempio di realizzazione illustrato, le scanalature 26 sono praticate nella direzione assiale del condotto che forma il dispositivo 30 oggetto dell'invenzione e sono ottenute nella porzione del dispositivo 30 stesso destinata ad inserirsi nella parete dell'involucro interno 32, così da formare dei veri e propri fori d'uscita verso la canalizzazione 20 per l'aria che proviene dal compressore,

Occorre precisare che sia le dimensioni che il numero delle scanalature 26 possono essere impostati a seconda della quantità d'aria di raffreddamento aggiuntiva, oltre a quella convenzionalmente erogata attraverso il sistema di tenuta 18, che si desidera ottenere in base alle condizioni operative della ruota turbina 14. In particolare, basterà sostituire in maniera rapida e semplice un comune tubo di sfiato 22 con il dispositivo 30, oppure anche lo stesso dispositivo 30 con un altro avente caratteristiche simili ma scanalature 26 differenti, per variare e ottimizzare la portata complessiva d'aria di raffreddamento all'interno della canalizzazione 20.

Infatti, mentre un'insufficiente portata d'aria di raffreddamento alla ruota turbina di primo stadio 14 riduce la vita operativa della ruota turbina 14 stessa, una portata d'aria eccessiva influenza negativamente le prestazioni (potenza erogata e rendimento) della turbina a gas. Il dispositivo 30 consente quindi di aggiustare la portata d'aria di raffreddamento in modo da salvaguardare sia la vita operativa della ruota turbina 14 che le prestazioni dell'intera macchina.

Si è cosi visto che il dispositivo 30 secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati in maniera sorprendentemente semplice ed economica, visto anche il ridotto costo del dispositivo 30 stesso, consentendo di aumentare e ottimizzare la quantità di aria di raffreddamento da erogare alla superficie anteriore della ruota turbina di primo stadio senza la necessità di effettuare onerosi smontaggi e modifiche dei componenti principali della macchina. La facilità di sostituzione del dispositivo 30 con altri che consentono il passaggio di quantità d'aria differenti permette poi di ottimizzare le condizioni di raffreddamento della ruota turbina e le prestazioni della macchina in funzione delle diverse condizioni ed esigenze operative.

Il dispositivo per ottimizzare il raffreddamento nelle turbine a gas della presente invenzione così concepito è suscettibile in ogni caso 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 (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (30) per ottimizzare il raffreddamento in una turbina a gas del tipo comprendente almeno un compressore, provvisto di almeno una camera di combustione (10) e di un involucro esterno (16) ed interno (32), almeno una ruota turbina (14), provvista di una pluralità di pale (12), ed almeno un rotore di alta pressione (38), provvisto di uno o più cuscinetti portanti (34), detto compressore essendo in grado di generare aria di raffreddamento inviata a detta ruota turbina (14) attraverso un'opportuna canalizzazione (20), caratterizzato dal fatto che sulla superficie esterna di detto dispositivo (30) sono previste una o più scanalature (26) che permettono il passaggio di portate aggiuntive d'aria da detto compressore verso detta canalizzazione (20), così da incrementare il flusso complessivo di aria di raffreddamento verso detta ruota turbina (14).
2. 2. Dispositivo (30) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette scanalature (26) sono praticate nella direzione assiale di detto dispositivo (30).
3. 3. Dispositivo (30) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto dì essere montato in posizione operativa su detto involucro esterno (16) per mezzo di uno o più elementi di fissaggio (28).
4. 4. Dispositivo (30) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette scanalature (26) sono ottenute nella porzione di detto dispositivo (30) destinata ad inserirsi nella parete di detto involucro interno (32).
5. 5. Dispositivo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le dimensioni, la forma e il numero di dette scanalature (26) possono essere impostati a seconda della quantità d'aria di raffreddamento che si desidera erogare in base alle necessità di raffreddamento di detta ruota turbina (14), salvaguardando al contempo le prestazioni della turbina a gas.
6. 6. Dispositivo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso può essere installato in sostituzione del tubo di sfiato (22) delle tenute (36) di detti uno o più cuscinetti portanti (34), detto dispositivo (30) svolgendo anche la funzione di mantenere una pressione dell'aria adeguata in dette tenute (36) di detti uno o più cuscinetti portanti (34).
7. 7. Dispositivo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere impiegato per il raffreddamento della superficie anteriore, rivolta verso detto compressore, di detta ruota turbina (14) dì un primo stadio di una turbina a gas.
8. 8. Turbina a gas caratterizzata dal fatto di comprendere un dispositivo (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.