IT201600106889A1 - Diaframma per compressore centrifugo - Google Patents

Description

DIAFRAMMA PER COMPRESSORE CENTRIFUGO

DESCRIZIONE CAMPO TECNICO

[0001] L'oggetto della presente descrizione si riferisce ad un diaframma per un compressore centrifugo.

STATO DELLA TECNICA DELL'INVENZIONE

[0002] Un compressore è una macchina che accelera le particelle di un liquido comprimibile, per esempio un gas, mediante l'uso di energia meccanica per aumentare la pressione di tale fluido comprimibile. I compressori sono usati in numerose applicazioni diverse, incluso il funzionamento come stadio iniziale di un motore a turbina a gas. Tra i vari tipi di compressore vi sono i cosiddetti compressori centrifughi, in cui l'energia meccanica funziona con gas immesso nel compressore attraverso un'accelerazione centrifuga che accelera le particelle di gas, per esempio facendo ruotare una girante centrifuga attraverso la quale il gas sta passando. Più in generale i compressori centrifughi fanno parte di una classe di macchinari noti come turbomacchine o "macchine turborotanti".

[0003] I compressori centrifughi possono essere dotati di una singola girante, ovvero in una configurazione monostadio o di una pluralità di giranti in serie, nel qual caso sono frequentemente definiti come compressori multistadio. Ciascuno degli stadi di un compressore centrifugo tipicamente include un condotto di ingresso per il gas da accelerare, una girante che è in grado di fornire energia cinetica al gas immesso e un diffusore che converte l'energia cinetica del gas che lascia la girante in energia di pressione. Le giranti possono essere dotate di protezione o non dotate di protezione. La presente descrizione fa riferimento a giranti protette.

[0004] Il compressore comprende anche uno o più tamburi di bilanciamento, ovvero elementi che generano una spinta opposta e di bilanciamento rispetto a quella globale generata dalle giranti e mediante un supporto di spinta, ovvero un elemento che compensa la spinta assiale residua. Entrambi questi elementi sono generalmente fissati all'albero.

[0005] In maggiore dettaglio, uno stadio di compressore centrifugo comprende componenti sia rotanti sia statici. I componenti statici separano zone a livelli di pressione diversi. Effettivamente un numero variabile di diaframmi statici è posto tra le giranti, tra la camera di ingresso e la prima girante o dopo l'ultima e sono fissati al contenitore. I diaframmi definiscono fra loro condotti che incanalano il fluido di lavoro tra le giranti. Pertanto la forma dei diaframmi influisce considerevolmente sulla dinamica dei fluidi all'interno del compressore.

[0006] In maggiore dettaglio, il diaframma ha una superficie posteriore che è rivolta parzialmente verso la superficie frontale di una girante. Inoltre, il diaframma ha una superficie frontale che è parzialmente rivolta verso la superficie posteriore di un'altra girante o della camera di ingresso se è di fronte alla prima girante. Occorre notare che, secondo la presente descrizione, il termine "diaframma" designa tutti i possibili componenti strutturali che occupano il posto di un diaframma, per esempio, il corpo interno o il corpo che combina il ruolo strutturale e di incanalamento. Più in generale, il termine diaframma designa qualsiasi componente statorico del compressore che è o tra le giranti, di fronte alla girante del primo stadio o dietro la girante dell'ultimo stadio.

[0007] Un problema che è rilevante nello stato della tecnica è il comportamento del fluido di lavoro nello spazio vuoto tra la protezione della girante e il diaframma. In quest'area il fluido genera un flusso dall'uscita (alta pressione) verso l'ingresso (bassa pressione) della girante. In altre parole, vi è un ricircolo di fluido di lavoro attraverso la protezione della girante. Una tenuta posta sull'occhio della girante, ovvero il diametro inferiore del lato esterno della protezione, ha lo scopo di limitare tale ricircolo.

[0008] Possono essere usate tenute tra certi elementi rotanti e statici per ridurre una perdita indesiderata all'interno del compressore centrifugo. Per esempio, tenute a labirinto o tenute a nido d'ape possono essere usate come tenute interne, per esempio, in corrispondenza del pistone di bilanciamento e un occhio di girante (o ciascun occhio di girante in un compressore centrifugo multistadio). Generalmente, le tenute a labirinto utilizzano scanalature e parti piatte per fornire un percorso di flusso difficile ad un fluido, mentre le tenute a nido d'ape utilizzano celle di forma esagonale per opporre resistenza al flusso del fluido. Entrambi i tipi di tenuta consentono uno spazio vuoto più piccolo (o una caratteristica equivalente) tra una superficie rotante e una superficie statica. Diversi progetti di tenuta sono stati implementati dalla nascita delle turbomacchine.

[0009] Dato che il fluido che fluisce nello spazio vuoto tra il diaframma e la protezione è passato attraverso le pale rotanti della girante, esso ha una velocità con una componente tangenziale chiamata "vortice" nel campo tecnico, che ha la stessa direzione di rotazione della girante.

[0010] Questo flusso genera diversi effetti indesiderabili. In modo specifico, il flusso a vortice produce un gradiente di pressione radiale sulla superficie esterna della protezione che aumenta la spinta assiale naturale della girante verso il suo ingresso. Questo porta ad un incremento della dimensione del tamburo di bilanciamento e della dimensione del supporto di spinta. Entrambe queste azioni aumentano la potenza assorbita richiesta del compressore.

[0011] Inoltre, il vortice riduce la stabilità roto-dinamica (misurata come decremento logaritmico) del compressore potenzialmente fino a valori negativi. In questo caso estremo il compressore non può funzionare.

[0012] Il vortice è a volte ridotto dai dispositivi noti come "freni di vortice". Questi sono piccole alette che riducono il vortice in corrispondenza dell'ingresso della tenuta sull'occhio della girante.

[0013] L'efficacia dei freni di vortice ha un qualche limite, per cui il problema è ridotto ma non è eliminato.

BREVE DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

[0014] Dato lo stato della tecnica di cui sopra l'inventore ha sviluppato una versione nuova e migliorata di un diaframma per un compressore centrifugo, che sarà illustrato descrivendo diverse forme di realizzazione in modo esemplificativo. Occorre notare che molte altre varianti di tali forme di realizzazione risulteranno evidenti dalla descrizione allegata non limitativa.

[0015] Una prima forma di realizzazione dell'invenzione pertanto fa riferimento a un diaframma per un compressore centrifugo. Tale diaframma ha un asse centrale.

[0016] Il diaframma ha anche una superficie posteriore configurata per essere rivolta almeno parzialmente verso una girante. La superficie posteriore ha una prima porzione che definisce almeno in parte un diffusore ed è rivolta verso un ulteriore diaframma. La superficie posteriore ha una seconda parte rivolta verso la girante.

[0017] Il diaframma ha un condotto avente un ingresso e un'uscita. L'ingresso e l'uscita sono posizionati sulla seconda porzione. Effettivamente l'ingresso è posizionato sulla superficie posteriore in un punto in corrispondenza del quale la pressione statica è maggiore rispetto alla pressione statica in corrispondenza dell'uscita.

[0018] Un'ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione fa riferimento ad un metodo per ridurre un vortice di flusso intorno ad una girante di un compressore centrifugo. Il metodo comprende la fase di trasferire una porzione del fluido di lavoro da una prima porzione a una seconda porzione vicino alla girante. Questa prima posizione ha una pressione statica più elevata rispetto alla seconda posizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0019] Ulteriori dettagli e forme di realizzazione specifiche faranno riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una vista in sezione laterale schematica di un diaframma secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 2 è una vista in sezione laterale schematica di un diaframma secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 3 è una vista in sezione laterale schematica di un diaframma secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 4 è una vista di dettaglio di una variante del diaframma della figura 3;

- la figura 5 è una vista in sezione laterale schematica di un diaframma secondo una quarta forma di realizzazione della presente invenzione; e - la figura 6 è una vista in sezione laterale schematica di un diaframma secondo una quinta forma di realizzazione della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE

[0020] La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento nei disegni diversi identificano elementi uguali o simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Invece, la portata dell'invenzione è definita dalle rivendicazioni allegate.

[0021] Il riferimento in tutta la specifica a "una unica forma di realizzazione" oppure "una forma di realizzazione" indica che un particolare elemento caratteristico, struttura o caratteristica descritto relativamente ad una forma di realizzazione è incluso in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto descritto. Pertanto, l'aspetto delle frasi "in una unica forma di realizzazione" oppure "in una forma di realizzazione" in diversi punti in tutta la specifica non è necessariamente riferita alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, gli elementi caratteristici, le strutture o le caratteristiche particolari possono essere combinati in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

[0022] Con riferimento ai disegni allegati, con il numero 1 è indicato un diaframma per un compressore centrifugo. Un gruppo girante-diaframma sarà indicato con il numero 17.

[0023] Come mostrato schematicamente in figura 1, il diaframma ha una superficie posteriore 2 che è configurata per essere almeno parzialmente rivolta verso una girante 3. Il diaframma 1 ha inoltre un asse centrale "C".

[0024] La girante 3 ha un mozzo 3a e una protezione 3c. L'albero 9 è collegato al mozzo 3a e fornisce potenza da trasmettere al fluido.

[0025] La girante 3 comprende anche una pluralità di pale 16 disposte tra il mozzo 3a e la protezione 3c. Le palette 3b si sviluppano verso l'esterno dal mozzo 3a e sono sagomate in modo ottimale per spostare il fluido di lavoro da un ingresso 3d a un'uscita 3e sul perimetro della girante 3. L'ingresso 3d è in particolare posto in un'area frontale della girante 3. Nel campo tecnico l'occhio 3f della girante 3 è definito come parte frontale, tipicamente ad un diametro minimo, della protezione. La protezione 3c è fissata alle pale 16, opposto rispetto al mozzo 3a. Occorre notare che il diaframma 1 è rivolto verso la protezione 3c della girante 3 e interagisce con essa in un modo che risulterà chiaro nella parte che segue della presente descrizione. La girante 3, essendo di tipo convenzionale, è già nota all'esperto nella tecnica e non sarà descritta in maggiore dettaglio.

[0026] La girante 3 comprende anche una pluralità di pale 16 disposte tra il mozzo 3a e la protezione 3c.

[0027] Durante il funzionamento, il fluido di lavoro entra nelle palette 3b tra le pale 16 ed esce energizzato dall'uscita 3e in corrispondenza della punta della girante 3. Gran parte di esso continua a fluire verso un diffusore 4 dove parte dell'energia cinetica viene trasformata in pressione statica. Parte del fluido energizzato dalle pale rotanti 16 ricircolerà indietro fluendo in uno spazio vuoto 10 tra la girante 3 e il diaframma 1.

[0028] In maggiore dettaglio, la superficie posteriore 2 del diaframma 1 ha una prima porzione 2a che definisce almeno in parte il diffusore 4 ed eventualmente la curva o la voluta di scarico (non mostrata nei disegni). La prima porzione 2a può anche essere rivolta verso un ulteriore diaframma 1. La superficie posteriore 2 ha anche una seconda porzione 2b che è rivolta verso la girante 3, in particolare verso la protezione 3c. Lo spazio vuoto 10 precedentemente menzionato è definito tra la seconda porzione 2c della superficie posteriore 2 e la protezione 3b della girante 3.

[0029] Una tenuta 8, parte del gruppo girante-diaframma 17, è posta nello spazio vuoto 10 tra il diaframma 1 e la girante 3. In particolare, la tenuta 8 è posta tra la seconda porzione 2b della superficie posteriore 2 e la protezione 3c. In altre parole, la seconda porzione 2b della superficie posteriore 2 è circondata dalla tenuta 8.

[0030] La tenuta 8 è generalmente disposta vicino all'occhio 3f della girante 3. In maggiore dettaglio, una superficie di tenuta 12 è definita sulla protezione 3c della girante 3 in prossimità dell'occhio 3f. In maggiore dettaglio, la superficie di tenuta 12 può essere generalmente levigata, a gradino o dentata, ed ha un asse centrale sostanzialmente coincidente con l'asse centrale "C" del diaframma 1. La tenuta 8 è fissata alla superficie posteriore 2 ed è rivolta verso la superficie di tenuta 12.

[0031] Tale tenuta 8 può essere realizzata con diverse tecnologie e forme con denti rotorici e/o statorici, celle ecc…, e ha lo scopo di limitare il retroflusso del fluido di lavoro intorno alla girante 3. Una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa della tenuta 8 è sottolineata nella domanda di brevetto EP2737179A1, della stessa Richiedente. Indipendentemente dalla presenza della tenuta 8, ciononostante un qualche retroflusso del fluido di lavoro sarà presente.

[0032] Come illustrato nelle figure 1, 2, 3, 5 e 6, il diaframma 1 ha un condotto 5. Il condotto 5 ha un ingresso 6 e un'uscita 7 per il fluido di processo. L'uscita 7 è posizionata sulla seconda porzione 2b della superficie posteriore 2. L'ingresso 6, d'altra parte, è posizionato sulla superficie posteriore 2 in un punto in cui la pressione statica è maggiore rispetto alla pressione statica in corrispondenza dell'uscita 7. Pertanto, una porzione del fluido di lavoro è ridiretta all'interno del condotto 5 e uscirà dallo spazio vuoto 10.

[0033] Nella forma di realizzazione mostrata in figura 1, l'ingresso 6 può essere posizionato sulla prima porzione 2a della superficie posteriore 2. In alternativa, come illustrato in figura 2, l'ingresso 6 può essere posizionato sulla seconda porzione 2b della superficie posteriore 2. Inoltre, come illustrato in figura 6, l'ingresso 6 può essere posizionato anche su una voluta 18 del compressore.

[0034] Il condotto 5 comprende una prima porzione 5a che si sviluppa dall'ingresso 6, in particolare trasversalmente rispetto a una direzione radiale "A". Il condotto 5 comprende una seconda porzione 5b che si sviluppa dall'uscita 7, in particolare trasversalmente rispetto alla direzione radiale "A". Inoltre una porzione intermedia 5c congiunge la prima porzione 5a e la seconda porzione 5b. La porzione intermedia 5c si sviluppa almeno parzialmente lungo la direzione radiale "A". Occorre notare che vi possono essere molteplici diramazioni del condotto 5, come illustrato in figura 5, in cui il condotto 5 comprende molteplici seconde porzioni 5b, che portano ciascuna ad una rispettiva uscita 7.

[0035] In una forma di realizzazione preferita, la seconda porzione 5b del condotto 5 è disposta in modo che il flusso in corrispondenza dell'uscita 7 del condotto 5 abbia una velocità tangenziale opposta alla velocità tangenziale del flusso su una superficie della girante 3 che è rivolta verso l'uscita 7. In ogni caso, la velocità tangenziale è molto inferiore rispetto a quella della girante 3 a parità di diametro o persino opposta ad essa. In altre parole, la seconda porzione 5b del condotto 5 sarà sagomata e orientata in modo che il fluido esca con un vortice limitato che può essere persino zero o negativo, avendo pertanto una rotazione opposta rispetto a quella generata dalla girante 3. Vantaggiosamente, questo fornisce un contributo positivo importante alla stabilità roto-dinamica del compressore.

[0036] La seconda porzione 5b del condotto 5 si sviluppa sostanzialmente lungo una direzione di uscita dell'uscita "B" che può essere inclinata rispetto all'asse centrale "C" della girante 3 per impartire la velocità tangenziale richiesta al fluido di lavoro. Il condotto 5 può avere qualsiasi forma in grado di fornire fluido dall'ingresso 7 all'uscita 6.

[0037] Vantaggiosamente, detto condotto 5 o almeno una tra detta prima porzione 5a e detta seconda porzione 5b di detto condotto 5 può essere integrato nella tenuta 8.

[0038] Opzionalmente, come illustrato per esempio in figura 3, il gruppo diaframma-girante 17 comprende un'ulteriore tenuta 11 tra il diaframma 1 e la girante 3. In particolare l'ulteriore tenuta è posizionata tra la protezione 3c della girante 3 e la seconda porzione 2b della superficie posteriore 2 del diaframma 1. Tale ulteriore tenuta in particolare è disposta vicino all'uscita 3e della girante 3, come illustrato in figura 3. Eventualmente, l'ulteriore tenuta 11 può essere disposta sulla punta superiore della protezione 3c come mostrato in figura 4. L'ulteriore tenuta 11 di preferenza ha un diametro compreso tra quello della tenuta 8 e il diametro massimo della protezione 3c. In questo caso un'ulteriore superficie di tenuta 13, simile alla superficie di tenuta 12, è definita sulla protezione 3b della girante 3.

[0039] Occorre notare che, quando l'ulteriore tenuta 11 è presente, l'uscita 7 del condotto 5 è posizionata tra la tenuta 8 e l'ulteriore tenuta 11.

[0040] Vantaggiosamente, l'ulteriore tenuta 11 limita il retroflusso dall'uscita 7 del condotto 5 verso l'uscita 3e della girante 3. Di conseguenza, rispetto alla soluzione senza l'ulteriore tenuta 11, l'efficienza globale dello stadio di compressione sarà maggiore e la pressione nello spazio vuoto 10 sarà aumentata in modo da generare una controspinta assiale verso la parte posteriore della girante.

[0041] Questa controspinta è in direzione opposta rispetto alla spinta normalmente provocata dal funzionamento della girante 3, consentendo di ridurre il diametro (i diametri) di tenuta del tamburo (dei tamburi) di bilanciamento del compressore centrifugo limitando il ricircolo del fluido. Inoltre questo consente di ridurre la dimensione del supporto di spinta. Entrambi questi vantaggi aumentano l'efficienza globale del compressore.

[0042] Secondo una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, il diaframma 1 comprende una pluralità di condotti 5. Questi sono preferibilmente distanziati angolarmente uniformemente rispetto all'asse centrale "C". Il numero dei condotti 5 varia a seconda della dimensione e del tipo di compressore, ma sono generalmente compresi tra 2 e 30.

[0043] I condotti possono anche non essere identici fra loro.

[0044] Inoltre fa parte della presente invenzione una forma di realizzazione relativa ad un metodo per ridurre un vortice di flusso attorno alla girante 3. Il metodo comprende la fase di trasferire una parte del fluido di lavoro da una prima posizione 14 ad una seconda posizione 15 vicino alla girante 3. La prima posizione 14 dovrebbe avere una pressione statica più elevata rispetto alla seconda posizione 15. Come illustrato sopra, la prima posizione è definita dalla posizione dell'ingresso 6 del condotto 5. Similarmente, la seconda posizione 15 è definita dalla posizione dell'uscita 7 del condotto 5.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Diaframma (1) per un compressore centrifugo avente una superfice posteriore (2) configurata per essere almeno parzialmente rivolta verso una girante (3) avente un asse centrale (C), detta superficie posteriore (2) avente una prima porzione (2a) che definisce almeno in parte un diffusore (4), detta superficie posteriore (2) avente una seconda porzione (2b) rivolta verso detta girante (3); in cui detto diaframma (1) ha un condotto (5) avente un'uscita (7) posizionata su detta seconda porzione (2b), e un ingresso (6) posizionato sulla superficie posteriore (2) in un punto in cui la pressione statica è più elevata rispetto alla pressione statica in corrispondenza dell'uscita (7).
2. 2. Diaframma (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto ingresso (6) è posizionato sulla prima porzione (2a).
3. 3. Diaframma (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto ingresso (6) è posizionato sulla seconda porzione (2b).
4. 4. Diaframma (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui detto condotto (5) comprende una prima porzione (5a) che si sviluppa dall'ingresso (6), una seconda porzione (5b) che si sviluppa dall'uscita (7) e una porzione intermedia (5c) che congiunge la prima porzione (5a) e la seconda porzione (5b), detta porzione intermedia (5c) sviluppandosi almeno parzialmente lungo una direzione radiale (A).
5. 5. Diaframma (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detta seconda porzione (5b) del condotto (5) è disposta in modo che il flusso in corrispondenza dell'uscita (7) del condotto abbia una velocità tangenziale opposta alla velocità tangenziale del flusso su una superficie della girante (3) rivolta verso l'uscita (7).
6. 6. Diaframma (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 4 a 5, in cui la seconda porzione (5b) del condotto (5) si sviluppa sostanzialmente lungo una direzione di uscita dell'uscita (B) che è inclinata rispetto all'asse centrale (C) della girante (3).
7. 7. Diaframma (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 6, comprendente una pluralità di condotti (5) distanziati uniformemente angolarmente rispetto a detto asse centrale (C).
8. 8. Gruppo diaframma-girante (17) comprendente un diaframma (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7; una girante (3) avente un ingresso (3d) e un'uscita (3e), detta girante (3) essendo rivolta almeno in parte verso il diaframma (1) in cui il gruppo (17) comprende anche una tenuta (8) sulla seconda porzione (2b) della superficie posteriore (2), detta tenuta (8) essendo disposta in prossimità dell'ingresso (3d) della girante (3).
9. 9. Gruppo diaframma-girante (17) secondo la rivendicazione 8, in cui almeno una tra detta prima porzione (5a) e detta seconda porzione (5b) di detto condotto (5) è integrata in detta tenuta (8).
10. 10. Gruppo diaframma-girante (17) secondo la rivendicazione 8, in cui detto condotto (5) è integrato nella tenuta (8).
11. 11. Gruppo diaframma-girante (17) secondo la rivendicazione 8 comprendente un'ulteriore tenuta (11) sulla seconda porzione (2b) della superficie posteriore (2), detta ulteriore tenuta (11) essendo disposta vicino all'uscita (3e) della girante (3).
12. 12. Gruppo diaframma-girante (17) secondo la rivendicazione 11, in cui l'uscita (7) del condotto (5) è posizionata tra la tenuta (8) e l'ulteriore tenuta (11).
13. 13. Compressore centrifugo comprendente una pluralità di gruppi diaframma-girante (17) secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 12.
14. 14. Metodo per ridurre un vortice di flusso attorno ad una girante (3) di un compressore centrifugo, detto metodo comprendente la fase di trasferire una parte del fluido di lavoro da una prima posizione (14) a una seconda posizione (15) vicino alla girante (3), detta prima posizione (14) avente una pressione statica più elevata rispetto a detta seconda posizione (15).
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, in cui il compressore comprende un gruppo diaframma-girante (17) secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 12, detto ingresso (6) di detto condotto (5) definendo detta prima posizione (14), detta uscita (7) di detto condotto (5) definendo detta seconda posizione (15).