CH655976A5

CH655976A5 - Diffusore compatto per turbine a gas di grande potenza.

Info

Publication number: CH655976A5
Application number: CH6270/83A
Authority: CH
Inventors: Costantino Vinciguerra
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 1982-11-23
Filing date: 1983-11-22
Publication date: 1986-05-30
Also published as: SE8306392L; IT8224370A1; IT8224370A0; GB2131100B; GB2131100A; BE898296A; IT1153351B; DE3342351C2; JPS59105905A; DE3342351A1; GB8330590D0; NO834253L; SE8306392D0; NL8303937A; FR2536460B1; FR2536460A1

Description

La presente invenzione concerne un diffusore compatto per turbine a gas di grande potenza (oltre 10.000 kW), che consentono di ottenere elevatissimi rendimenti di diffusione con ridotti ingombri in senso assiale ed ingombri radiali che non superano quelli ammissibili delle soluzioni correnti che sono dettati da ragioni di trasporto. Grazie poi al notevole rendimento di diffusione raggiungibile ed alla conseguente minore velocità dei gas allo scarico è parallelamente conseguito un sensibile abbassamento delle vibrazioni e del grado di rumorosità rendendo cosi più facile la realizzazione del silenziatore di scarico con conseguenti minori costi ed ingombri.

Come noto, i diffusori più frequentemente impiegati nelle turbine a gas di potenza sono derivati da quelli studiati e messi a punto per le turbine aeronautiche nelle quali è imperativo un ridotto ingombro radiale e l'attraversamento del condotto di diffusione con nerve a doppia parete profilate aereodinamica-mente e raffreddata nell'intercapedine con gas freschi, per supportare il cuscino dell'albero altrimenti non raggiungibile.

Detti diffusori sono costituiti da due pareti coniche coassiali con apertura tra i coni attorno al 7°. Infatti, un diffusore di tale tipo risulta di massima efficienza quando si raggiunge il miglior compromesso tra la perdite per attrito sulle due pareti che, dipendendo a parità di finitura delle superfici dallo sviluppo in lunghezza, sono tanto minori quanto più il diffusore è corto, e le perdite per turbolenza di diffusione che sono tanto minori quanto più graduale è la diffusione e cioè quanto più il diffusore è lungo. Orbene risulta sperimentalmente che la lunghezza di compromesso ottimale, dipendente dal grado di finitura, velocità ecc., corrisponde in prima approssimazione per diffusori a due pareti coniche ed a sviluppo prevalentemente assiale ad una apertura appunto fra i coni di circa 7°.

D'altra parte all'uscita del diffusore il gas ha ancora una forte velocità la cui energia va persa ma, essendo lo scarico assiale e tenendo conto del compromesso aeronautico fra peso, ingombri e rendimento, questa perdita viene accettata.

Le turbine terrestri, derivate da esperienze aeronautiche, usano diffusori analoghi con la sola variante che all'estremità del diffusore il gas viene fatto curvare in senso radiale dato che nelle turbine terrestri lo scarico è previsto radiale.

Onde poi far curvare il gas con minori perdite e con raggi stretti vengono spesso sistemate nella curva schiere di deflettori costituiti in sezione da archi di cerchio paralleli. La diffusione del gas viene comunque considerata esaurita alla fine del tratto conico ed i deflettori servono solo a ridurre la perdita di carico nella curva e non a diffondere.

Questo tipo di diffusore non sfrutta le maggiori alternative offerte dalla sistemazione terrestre rispetto l'aeronautica e precisamente:

a) conserva le nervature di sostegno del cuscino all'ingresso del diffusore dove il gas ha notevoli velocità, causando una discreta perdita che diventa molto superiore se la turbina deve lavorare in condizioni diverse da quella di progetto perché in tal caso alle perdite causate dalla riduzione di sezione nel passaggio tra le nervature si devono aggiungere anche le perdite causate dall'urto del gas contro quest'ultime, urto che si verifica con incidenze tanto più lontane da quelle ottimali quanto più lontano si opera dal punto di progetto (con le turbine terrestri non è raro il caso in cui si debba operare al 50% dei giri di progetto iniziale). Nella turbina aeronautica le nerve sono indispensabili per ragioni di ingombro e di peso. Nella turbina terrestre il cuscino può essere invece sostenuto anche dall'esterno a patto di risolvere alcuni problemi meccanici sulla linea d'albero.

b) Non riduce al minimo la velocità dei gas di scarico a scapito del rendimento e del grado di rumorosità. Un tipo di diffusore che inizia ad essere adottato in campo terrestre è proprio caratterizzato dall'eliminazione di tali nerve e dal tentativo di migliorare la diffusione nella curva finale. Le nerve sono eliminate sostenendo il cuscino dall'esterno, dato che lo scarico non è più assiale, e la curva è realizzata con un vero e proprio diffusore curvo che è assai più complesso di un diffusore diritto ma con uno stadio accurato e una messa a punto sperimentale può far raggiungere un discreto ulteriore recupero.

Per migliorare ulteriormente tale tipo di diffusore occorre o aumentare il tratto conico assiale in modo da arrivare alla curva con un maggiore rapporto di diffusione, ma questo causa un intollerabile aumento di lunghezza assiale della turbina, od interporre in detto tratto una parete intermedia in modo da raddoppiare l'angolo di diffusione. Questa strada è stata soprattutto seguita da quei costruttori che mantengono le nervature di sostegno del cuscino in modo da supportare con le stesse anche la parete intermedia. Tale soluzione non porta però che scarsi risultati per evidenti ragioni. Infatti, mantenendo le nerve si mantengono tutte le perdite già ricordate soprattutto a regimi diversi da quello di progetto ed inoltre, per l'equilibrio accennato in precedenza fra perdite di attrito e perdite di diffusione, l'introduzione della doppia parete nella zona in cui il gas è ancora veloce, porta ad un maggior aumento delle perdite per attrito e per urto di imbocco che riduce fortemente i vantaggi teorici della maggiore diffusione.

Una seconda via sarebbe quella di ampliare il tratto di diffusore curvo ma questo provoca un maggior ingombro radiale che nelle grosse turbine è ancora meno tollerato (problemi di trasporto, ecc.).

Scopo della presente invenzione è appunto quello di superare questi problemi di ingombro e di ottenere una diffusione nettamente migliore e quindi un miglior rendimento della turbina ed una minore rumorosità allo scarico.

Ciò viene sostanzialmente conseguito con un diffusore costituito dalla combinazione di elementi che si dà dalla rivendicazione 1. Sviluppi vantaggiosi si danno dalle rivendicazioni dipendenti.

In tale diffusore, il primo tratto di diffusore privo di nerve e di pareti intermedie, che lavora in condizioni ottimali e realizza la parte più importante del processo di diffusione, è seguito da un doppio diffusore curvo a tre pareti che permette una ottima diffusione finale nella curva e negli ingombri disponibili.

La parete intermedia che permette di realizzare il doppio diffusore è sostenuta a sbalzo da una serie di nerve profilate aerodinamicamente poste sulla parte finale del diffusore dove il gas è ormai quasi completamente diffuso a velocità così bassa

5

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

655 976

da non creare apprezzabili perdite. Questa sistemazione che permette di sostenere «a sbalzo» la parte iniziale della parete intermedia è resa possibile grazie alla rigidità assunta dalla parete intermedia, in seguito alla sua curvatura.

Detta parte iniziale della parete intermedia può essere poi lavorata di macchina con profilo aerodinamico appropriato in modo da dividere la corrente in arrivo dalla prima parte di diffusione in due correnti senza che avvengano urti e brusche riduzioni di sezione ed inoltre si ottiene un alleggerimento della parte più a «sbalzo» secondo un profilo che è quasi ottimale per eliminare i «modi» di vibrazione alle varie frequenze incontrate nelle diverse condizioni di marcia.

Ad alte velocità le perdite per urti e attriti sono molto forti (crescono con legge quadratica) e questo ha portato all'eliminazione delle nerve e a scegliere un diffusore con sole due pareti nel primo tratto.

Nel tratto curvo il gas sufficientemente rallentato ha invece maggiore necessità di guida (la diffusione in curva è estremamente più complessa). Per questo l'introduzione della parete intermedia senza nerve nel tratto iniziale permette di lavorare come con due diffusori curvi in parallelo con angoli di diffusione quasi doppi e quindi consente di uscire nella camera di scarico con velocità quasi metà di quelle ottenibili con un diffusore finale curvo tradizionale.

Le nervature finali che sostengono la parete intermedia possono essere inoltre studiate e disposte angolarmente in modo da svolgere anche una funzione benefica aerodinamicamente. Infatti creando una strizione finale controllata (quando il gas ha quasi completato l'espansione) si migliora in maniera decisiva la sua uniformità di velocità di uscita in senso circonferenziale.

Difatti, a causa dell'uscita radiale del gas dal condotto de scarico si crea una forte disuniformità dei percorsi dei filetti in uscita che, in assenza di nervature, può portare a velocità di uscita dal tratto curva del diffusore nella camera di scarico di alcune volte più alta nella parte vicino alla bocca di scarico rispetto alla parte diametralmente opposta e se si pensa al fatto che i fenomeni di perdita di carico e di rumorosità variano con legge quadratica rispetto alla velocità si capisce che influenza negativa possa creare questo richiamo della bocca di scarico.

Questo spiega l'apparente contradditorietà del fatto che introducendo le nervature (cioè degli ostacoli) si possa ottenere un miglioramento del rendimento.

Le nervature infatti, creando una strizione in uscita dai tratti curvi, portano il gas a distribuirsi uniformemente sulla circonferenza di uscita mascherando il richiamo, dissimetrico rispetto all'asse, della bocca di scarico radiale. Il gas esce quasi perfettamente distribuito circonferenzialmente e grazie ad una appropriata forma preferita di un condotto interno alla camera di scarico che lo accompagna in maniera ordinata verso l'uscita raggiunge il silenziatore finale con velocità molto basse, con pulsazione di pressioni praticamente nulle e quindi con la minima rumorosità di origine aerodinamica.

Questa sistemazione finale non è trascurabile in quanto in molti diffusori spesso nella camera di scarico si distrugge in perdite di carico molta parte del recupero di pressione faticosamente raggiunto nel diffusore. L'effetto è quindi un aumento di rendimento della turbina e una notevole diminuzione del grado di rumorosità dei gas di scarico che come noto rappresenta per le applicazioni terrestri uno degli inconvenienti più difficili da eliminare (silenziatori ingombranti, costosi e di poca durata dato che lavorano a temperature superiori ai 450° C).

Prove sperimentali hanno confermato pienamente questo fenomeno ed anzi la riduzione di rumorosità finale è una misura indiretta e immediata del migliorato rendimento al variare dei diversi parametri (numero nerve, profilo iniziale, differenzazio-ne dèlie curvature e dei rapporti). Sempre in sede sperimentale è 5 stato pure evidenziato che negli ingombri disponibili il concetto di moltiplicare le pareti nel tratto di diffusione curva non può essere ulteriormente esteso in quanto aggiungendo una 2a parete intermedia le perdite per attrito che conseguono bilanciano i miglioramenti; aggiungendone ancora di più si inizia a peg-ìo giorare il rendimento.

L'invenzione viene ora meglio chiarita con riferimento ai disegni allegati che illustrano una forma preferenziale di realizzazione pratica data a solo titolo esemplificativo ma non limitativo in quanto varianti tecniche e costruttive potranno essere i5 sempre apportate senza uscire dall'ambito della presente invenzione.

In detti disegni:

la fig. 1 mostra una vista parziale in sezione longitudinale di una turbina a gas di potenza adottante il diffusore secondo l'in-20 venzione;

la fig. 2 mostra una vista parziale in sezione longitudinale ed a scala ingrandita del diffusore di fig. 1;

la fig. 3 mostra una vista parziale in sezione longitudinale ed a scala fortemente ingrandita di un particolare del diffusore 25 secondo l'invenzione.

Con riferimento alle figure, con 1 viene indicato il generatore di gas della turbina a gas, che alimenta la turbina di potenza

2 i cui gas di scarico vengono convogliati nella cassa di scarico

3 attraverso il diffusore 4.

30 Detto diffusore 4 è costituito da un primo tratto di diffusione 5 a percorso sostanzialmente assiale delimitato da due pareti coassiali prevalentemente coniche 6 e 7. Detto tratto 5, che è previsto inclinato di un certo angolo (v. fig. 2) rispetto all'orizzontale per presentare meglio il flusso di gas alla curva, realizza 35 la parte più importante della diffusione e la realizza in maniera ottimale dato che è privo di nervature o pareti intermedie.

Questo tratto 5 è poi seguito da un doppio diffusore curvo a tre pareti 8, 9 e 10 che completa la diffusione del gas separato in due correnti indipendenti e lo fa nello stesso tempo curvare 40 radialmente.

La parete curva intermedia 9 permettente di realizzare il doppio diffusore, è sostenuta a sbalzo da una serie di nervature profilate aerodinamicamente 11 che hanno generatrici parallele all'asse orizzontale della macchina e sono sistemate quasi alla 45 fine del doppio diffusore curvo. Tali nervature 11 sono inoltre dimensionate in modo da creare nel doppio diffusore una strizione controllata in uscita dai tratti curvi che consente di ottenere una uniforme distribuzione circonferenziale della velocità di uscita del gas nella cassa di scarico 3 e quindi di attenuare so sensibilmente il richiamo dissimmetrico del gas da parte della bocca 12 della cassa di scarico 3. Al fine poi di non disturbare l'uniformità di deflusso circonferenziale del gas dal diffusore e favorire quindi un flusso ordinato del gas verso la bocca di scarico 12, il diffusore 4 è collegato alla cassa di scarico 3 tramite 55 un involucro 7 a profili raccordati col diffusore e contenuto nella stessa cassa di scarico.

Infine, la detta parete curva intermedia 9 inizia con un tratto 9' lavorato e profilato aerodinamicamente (v. specificatamente la fig. 3) in modo da dividere la corrente gassosa prove-6o niente dal primo tratto del diffusore a velocità già ridotta, in due correnti senza che avvengano urti né variazioni improvvise di sezione.

v

2 fogli disegni

Claims

655 976

1. Diffusore compatto (4) per turbine a gas di grande potenza (2), caratterizzato dal fatto di essere costituito da un primo tratto di diffusione (5) privo di nervature e/o di pareti intermedie ed a percorso sostanzialmente assiale, delimitato da due pareti coassiali (6, 7) prevalentemente coniche il quale è seguito da un doppio diffusore curvo a tre pareti (8, 9, 10) la cui parete curva intermedia (9) è sostenuta a sbalzo da ima serie di nervature (11) aventi generatrici parallele all'asse orizzontale della turbina e situate quasi alla fine del detto doppio diffusore curvo.

2. Diffusore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la detta parete curva intermedia (9) del detto doppio diffusore curvo inizia con un tratto (9') lavorato e profilato aerodinamicamente in modo da suddividere la corrente senza urti e variazioni brusche di sezione.

2

RIVENDICAZIONI

3. Diffusore secondo le rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le dette nervature (11) sono profilate aerodinamicamente e dimensionate in modo da creare una strizione controllata in uscita dai tratti curvi del diffusore.

4. Diffusore secondo le rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere collegato con la cassa di scarico (3) della turbina tramite un involucro (7) a profili raccordati col diffusore e contenuto nella stessa cassa di scarico.