IT201800002027A1 - Dispositivo di tenuta di fluido per macchine rotanti - Google Patents

Description

Dispositivo di tenuta di fluido per macchine rotanti

DESCRIZIONE

Campo dell’invenzione

La presente invenzione riguarda un dispositivo di tenuta di fluido per turbomacchine, ovvero un dispositivo di tenuta per macchine aventi una parte rotante rispetto ad una parte statorica in presenza di un fluido di lavoro, e si riferisce in particolare a un dispositivo di tenuta che ha la funzione di confinare il fluido di lavoro nella macchina quando viene fermata per guasti o manutenzione.

Stato dell’arte

Nel panorama degli impianti per la produzione di potenza a ciclo chiuso, in particolare nel campo dei cicli Rankine a fluido organico (ORC), il ruolo delle tenute meccaniche è un aspetto critico sia dal punto di vista della progettazione, sia dal punto di vista della pianificazione e gestione della manutenzione. Le perdite provenienti dalle tenute meccaniche, sia quelle di natura fisiologica, sia quelle legate a rotture, hanno un forte impatto in questi tipi di impianti, più che in altri, principalmente a causa dei seguenti fattori:

- alto valore economico del fluido di lavoro sul quale agisce la tenuta meccanica;

- potenziale tossicità o creazione di ambienti esplosivi in concomitanza di perdite/trafilamenti in zone in cui è difficile limitare la presenza di operatori o l’utilizzo di apparecchiature conformi alle normative europee ATEX o equivalenti.

In passato sono stati proposti dispositivi con tenute rotanti studiati per consentire l’efficace confinamento del fluido di lavoro quando la turbomacchina è in funzione. Tuttavia, specialmente in presenza di elevate temperature, le tenute rotanti possono perdere di efficacia e causare importanti perdite di fluido di lavoro o ingresso nella macchina di aria e liquidi lubrificanti, alle quali è necessario rimediare procedendo al fermo della macchina e alla sostituzione della tenuta rotante. Quando la tenuta rotante è danneggiata e in particolare durante la sua sostituzione, viene meno la sua funzione di confinamento del fluido di lavoro, pertanto se non sono applicati particolari accorgimenti, l’ambiente interno alla macchina entra in comunicazione con l’ambiente esterno.

Alcune soluzioni note alla tecnica hanno permesso di risolvere, almeno in parte, il problema delle perdite o della contaminazione del fluido di lavoro durante il fermo della turbomacchina.

Ad esempio, in GB 964946 è descritto un dispositivo di tenuta e di freno applicato ad una turbomacchina. Il dispositivo serve a impedire il passaggio del fluido di lavoro quando la turbomacchina viene fermata. In particolare il dispositivo comprende un soffietto metallico che collega una parte statorica e un pistone scorrevole su una porzione cilindrica della macchina. Quando la turbomacchina è ferma il pistone viene azionato da un fluido ausiliario in modo da portare il pistone in contatto con un disco rotorico.

In FR 2563583 è descritto un dispositivo di tenuta per una pompa centrifuga, che comprende un manicotto traslabile assialmente lungo un albero della pompa per mezzo di un elettromagnete. La faccia di estremità del manicotto ha una guarnizione di tenuta che si attesta contro un componente statorico o rotorico.

DE 3440635 descrive una struttura per sigillare il rotore di una turbina idraulica rispetto all’involucro, e prevede un anello di tenuta e sigillatura disposto tra una parte rotorica ed una parte statorica della macchina.

EP 2591211 descrive un dispositivo di tenuta di fluido per macchine rotanti in cui la parte rotorica comprende almeno un disco portato da un albero rotante supportato mediante cuscinetti, e dotato di almeno un sistema di tenuta che definisce un primo ambiente A a una prima pressione. La parte statorica ha una parete di fronte al disco della parte rotorica, dimodoché la parte rotorica e la parte statorica delimitano tra loro un secondo ambiente B che contiene un fluido a una seconda pressione, maggiore o minore della prima pressione nell’ambiente A. Il primo ambiente A e il secondo ambiente B sono separati dal sistema di tenuta sull’albero rotante. Un anello mobile 30, concentrico all’albero rotante, è posto tra la parete della parte statorica e il disco della parte rotorica ed è dotato di almeno una guarnizione anulare di tenuta rivolta verso una parte del disco della parte rotorica. L’anello è movibile assialmente a comando, a macchina ferma e prima di effettuare le operazioni di manutenzione, tra una posizione arretrata inattiva, nella quale la guarnizione di tenuta è lontana dal disco della parte rotorica, e una posizione avanzata attiva nella quale la guarnizione di tenuta si appoggia al disco della parte rotorica. In pratica l’anello mobile viene portato nella posizione attiva quando la macchina rotante è ferma, per impedire il passaggio di fluido da uno degli ambienti A, B all’altro ambiente. L’anello mobile è alloggiato e guidato in un recesso anulare ricavato nella parete della parte statorica, di fronte al disco della parte rotorica. Lo spostamento dell’anello mobile dalla posizione arretrata inattiva alla posizione avanzata attiva è causato da un fluido in pressione. Lo spostamento in direzione opposta, verso la posizione arretrata inattiva è ottenuto con molle di spinta posizionate tra l’anello mobile e un anello di riscontro fisso vincolato a detta parete della parte statorica.

La soluzione descritta in EP 2591211 si è dimostrata efficace a confinare il fluido di lavoro quando la turbomacchina è ferma, soprattutto nelle turbine operanti in un ciclo Rankine organico ORC e nei Chiller con compressore centrifugo a fluido organico. In generale la soluzione descritta in EP 2591211 è utilizzabile in turbine operanti in cicli ORC e in altri cicli.

Tuttavia la Richiedente ha scoperto che le guarnizioni descritte in EP 2591211 (in particolare quelle che consentono all’anello 30 di spostarsi assialmente realizzando una tenuta rispetto alla parte statorica) tendono a usurarsi velocemente, soprattutto in applicazioni in cui il fluido di lavoro che attraversa la turbomacchina è scaldato a temperature nettamente superiori (es.

350-400°C) rispetto a quelle tipiche di un impianto a ciclo Rankine organico ORC (tipicamente al di sotto dei 300°C). Il motivo è stato individuato nel fatto che anche l’anello mobile e le guarnizioni si riscaldano fino a raggiungere temperature elevate, prossime a quelle del fluido di lavoro. L’usura delle guarnizioni si manifesta in particolare con la perdita delle proprietà elastiche, fatto che compromette l’efficacia del sistema di tenuta.

Si tenga inoltre presente che la scelta delle guarnizioni, in un ciclo ORC, è condizionata non solo dalle temperature in gioco, ma anche dalla compatibilità chimica tra il materiale della guarnizione e il fluido organico.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di mettere a disposizione un dispositivo di tenuta che offra prestazioni migliori rispetto alle soluzioni note, in termini di confinamento del fluido di lavoro nella turbomacchina ferma, anche nella circostanza in cui il fluido di lavoro raggiunga temperature superiori a 300°C.

In particolare, è uno scopo della presente invenzione quello di mettere a disposizione un dispositivo di tenuta caratterizzato da una maggiore affidabilità (vita operativa) ed efficacia.

La presente invenzione concerne pertanto un dispositivo di tenuta di fluido secondo la rivendicazione 1.

In particolare, le macchine rotanti prese in considerazione hanno una parte rotorica girevole rispetto a una parte statorica in presenza di un fluido di lavoro.

La parte rotorica comprende almeno un disco rotorico portato da un albero rotante, a sua volta supportato mediante cuscinetti; l’albero è preferibilmente dotato di almeno una tenuta, ad esempio meccanica, per isolare il fluido di lavoro dall’ambiente esterno.

Un primo ambiente, o ambiente esterno, comprende qualsiasi camera, interstizio, spazio o ambiente presente tra il dispositivo di tenuta oggetto della presente invenzione e l’ambiente esterno, dal quale il fluido di lavoro deve essere isolato. Un secondo ambiente, o ambiente interno, è definito come lo spazio interno alla macchina dove è presente il fluido di lavoro, a pressione maggiore o minore della pressione presente nel primo ambiente, in funzione delle specificità del ciclo progettato.

Il dispositivo di tenuta, attivabile durante il fermo macchina, comprende: - un elemento anulare concentrico all’albero rotante, dotato di almeno una superficie anulare di tenuta, e

- una sede dell’elemento anulare ricavata nella parte statorica o a questa fissata in modo solidale.

Vantaggiosamente, l’elemento anulare è un pistone a soffietto estendibile o dilatabile per portare la superficie anulare di tenuta da una posizione arretrata, inattiva, in corrispondenza della quale la superficie anulare di tenuta non interagisce con la parte rotorica della macchina, a una posizione avanzata, attiva, in corrispondenza della quale la superficie anulare di tenuta si attesta contro una parte rotorica della macchina, ad esempio un disco rotorico o l’albero stesso, e impedisce il passaggio di fluido di lavoro dall’ambiente interno all’ambiente esterno, o viceversa l’ingresso di aria nell’ambiente interno, quando la macchina è ferma. Il pistone a soffietto è retraibile per riportare la superficie anulare di tenuta nella posizione arretrata quando la macchina è in funzione, cioè quando la parte rotorica è in rotazione.

La soluzione proposta permette di raggiungere, a parità di altre condizioni, una vita utile più lunga dell’unità di tenuta stessa, grazie all’assenza degli o-ring più critici, e della tenuta meccanica della turbomacchina, grazie all’azione di raffreddamento che verrà descritta nel proseguo, rispetto alle soluzioni oggi disponibili. Al tempo stesso la soluzione proposta permette di minimizzare la durata delle operazioni di manutenzione e di semplificare tali interventi. L’attivazione del dispositivo non richiede, infatti, lo smontaggio di parti della macchina, ma semplicemente la pressurizzazione del pistone a soffietto.

In generale, rispetto alle soluzioni tradizionali, a parità di altre condizioni il dispositivo di tenuta secondo la presente invenzione permette di minimizzare il numero di fermi macchina causati dalla rottura delle tenute meccaniche, e permette di intervenire in tempi più rapidi.

Infatti, un grande vantaggio della soluzione proposta è costituito dalla possibilità, descritta più avanti, di raffreddare il pistone a soffietto con grande efficacia, aumentando la vita utile della tenuta meccanica.

Preferibilmente la sede del pistone a soffietto è una sede anulare, concentrica all’albero rotante, ad esempio esterna alla tenuta meccanica attiva sull’albero. La sede si estende in direzione assiale, cioè parallelamente all’asse di rotazione dell’albero rotante, tra la parte statorica della macchina fino a fronteggiare il disco rotorico. Quando viene attivato, il pistone a soffietto è assialmente scorrevole nella sede per effetto della espansione/dilatazione causata dal fluido in pressione con cui è alimentato.

Nella forma di realizzazione preferita il pistone a soffietto comprende due elementi cilindrici a soffietto, aventi diametri diversi e disposti concentrici, uniti ad un primo anello in corrispondenza di un primo bordo e ad un secondo anello in corrispondenza del bordo opposto. Preferibilmente gli elementi appena descritti sono metallici, e uniti con saldature. Un volume interno, pressurizzabile, è definito tra i due elementi cilindrici a soffietto e i due anelli : l’attivazione del pistone a soffietto è ottenuta pressurizzando il volume interno, cioè alimentando tale volume interno con un fluido in pressione, ad esempio aria compressa o un olio. Per questo scopo, un condotto di adduzione di un fluido pressurizzato si estende attraverso il primo anello.

Il primo anello è inserito nella sede del pistone a soffietto ed è rivolto verso la parte statorica della macchina; il secondo anello porta la superficie di tenuta ed è rivolto verso un componente della parte rotorica della macchina, ad esempio il disco rotorico o la testa dell’albero. Quando il pistone a soffietto viene attivato, l’interstizio inizialmente presente tra la superficie di tenuta del pistone a soffietto e la parte rotorica della macchina viene annullato.

Il funzionamento dell’unità di tenuta è semplice: il pistone a soffietto è attivabile pressurizzando il volume interno a una pressione maggiore di quella presente nel secondo ambiente e sufficiente a provocare la deformazione elastica in senso assiale dei soffietti, ed è disattivabile ripristinando nel volume interno una pressione più bassa di quella minima necessaria per portare la superficie di tenuta del soffietto a contatto con la parte rotorica.

In una variante costruttiva dell’unità di tenuta, il pistone a soffietto è raffreddato. Almeno uno tra i due elementi cilindrici a soffietto comprende uno o più setti radiali che dividono il volume interno del pistone a soffietto in due o più camere comunicanti. Le camere comunicanti sono disposte in successione tra il primo anello e il secondo anello. La camera prossima al secondo anello è alimentabile con un fluido di raffreddamento che raggiunge le altre camere scavalcando i setti radiali, laddove questi sono interrotti. Il fluido di raffreddamento sottrae calore dal pistone a soffietto, mantenendo a temperatura controllata sia la superficie di tenuta del sistema oggetto della presente invenzione, sia la tenuta meccanica posta tra il pistone a soffietto e l’albero.

Preferibilmente il pistone a soffietto presenta un ingresso per il fluido di raffreddamento ricavato nel primo anello e una cannula che si estende dall’ingresso fino alla camera prossima al secondo anello, e comprendente un’uscita per il fluido di raffreddamento ricavata nel primo anello, in posizione diametralmente opposta rispetto all’ingresso. Questa configurazione definisce un percorso obbligato per il fluido di raffreddamento, che evita ristagni e garantisce il raggiungimento di tutte le superfici interne del pistone a soffietto. Un secondo aspetto della presente invenzione concerne una turbomacchina, ad esempio una turbina, dotata dell’unità di tenuta qui descritta.

Un terzo aspetto della presente invenzione concerne un metodo di confinamento di un fluido di lavoro in una turbomacchina ferma, per mezzo dell’unità di tenuta qui descritta.

Breve elenco delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno meglio evidenziati dall’esame della seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, col supporto dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è una sezione assialsimmetrica e schematica di parte di un espansore a turbina indicativo dello stato della tecnica, in precedenza commentato in relazione a EP 2591211;

- la figura 2 è una sezione assialsimmetrica e schematica di parte di un espansore a turbina dotato di un dispositivo di tenuta secondo la presente invenzione, in una prima configurazione;

- la figura 3 è un ingrandimento di figura 2;

- la figura 4 è una sezione assialsimmetrica e schematica di un componente del dispositivo di tenuta secondo la presente invenzione;

- la figura 5 è una sezione assialsimmetrica e schematica dell’espansore a turbina mostrato in figura 2, in cui il dispositivo di tenuta è in una seconda configurazione;

- la figura 6 è una sezione assialsimmetrica e schematica dell’espansore a turbina mostrato in figura 2 e di un impianto di pressurizzazione ad esso associato;

- la figura 7 è una sezione assialsimmetrica e schematica di una versione alternativa del componente del dispositivo di tenuta mostrato in figura 4;

- la figura 8 è una vista in prospettiva di parte del componente del dispositivo di tenuta mostrato in figura 7.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

La figura 1 è una vista schematica di una porzione di turbomacchina, in particolare una turbina operante in un impianto a ciclo Rankine organico ORC secondo l’arte nota. La turbina comprende un albero 15 che porta un disco 13. L’albero 15 può essere sostenuto in un cannotto di supporto 19, chiamato anche mandrino, mediante interposti cuscinetti 20 ed altri cuscinetti interposti installati a sinistra dei cuscinetti 20 e non rappresentati. Il disco 13 in questo caso risulterà a sbalzo rispetto al sistema albero-cuscini, essendo montato a destra dei cuscinetti 20. Attorno all’albero 15, tra questo e il cannotto di supporto 19, è previsto un alloggiamento 15a portante almeno un sistema di tenuta 15b, che consente la rotazione dell’albero 15, realizzando comunque una tenuta efficace tale da impedire, o quantomeno limitare, il passaggio di fluido fra un ambiente A, posto a sinistra del sistema di tenuta 15b, e un ambiente B su cui si affaccia il lato, pure a sinistra, del disco 13. Il sistema di tenuta può essere costituito a titolo esemplificativo da una o più tenute meccaniche, una o più tenute ad anello in elastomero, una o più tenute a premistoppa, o una combinazione di questi elementi, o altro ancora. Il cannotto di supporto 19 dell’albero rotante 15 può essere integrale (come in figura) o fissato con elementi amovibili quali bulloni con una struttura statica 17, ovvero non rotante. Questa struttura statica 17 ha una parte che risulta in fronte al disco 13 e che separa l’ambiente B dall’ambiente C esterno alla struttura stessa.

L’ambiente A corrisponde a un ambiente a una prima pressione dove sono presenti i cuscinetti 20; l’ambiente B corrisponde a parte dell’ambiente interno della macchina rotante, in cui è presente un fluido di lavoro a una seconda pressione di esercizio; l’ambiente C si trova alla pressione ambientale all’esterno della struttura statica o involucro 17 dipendente dal luogo di installazione della macchina. Il sistema di tenuta 15b viene allora ad essere sottoposto alla differenza di pressione fra l’ambiente A e l’ambiente B, con una tendenza quindi del fluido che si trova nell’ambiente B, a pressione maggiore, a fluire verso l’ambiente A, a pressione inferiore, tendenza che durante il funzionamento della macchina sarà, come detto più sopra, ostacolata normalmente dal sistema di tenuta 15b. Viceversa, se l’ambiente B è a pressione minore dell’ambiente A, la tenuta meccanica 15b evita l’ingresso di aria o di un fluido lubrificante dei cuscinetti e/o della tenuta meccanica nel processo.

Un ulteriore dispositivo di tenuta comprende almeno un anello mobile 30 alloggiato e guidato assialmente in un corrispondente recesso anulare 31 ricavato in una parete della struttura statica 17 (scudo o involucro) di fronte al disco 13 supportato dall’albero rotante 15. Nell’insieme, il recesso anulare 31 e l’anello mobile 30 sono concentrici all’albero 15, e mentre il recesso 31 ha funzione di cilindro, l’anello mobile 30 è movibile a comando, a guisa di pistone, in detto recesso, verso e lontano da una prospiciente superficie 13a di detto disco 13. Sull’anello mobile sono montate guarnizioni di tenuta (34 e 35) rispetto al recesso 31.

L’anello mobile 30 ha una porzione di testa rivolta verso il disco 13, e sul fronte di detta porzione l’anello mobile 30 è dotato di una gola anulare nella quale è alloggiata e trattenuta una guarnizione anulare di tenuta frontale 37 costituita esemplificativamente da un O-ring di elastomero. L’anello mobile 30 è spostabile tra una posizione arretrata inattiva – mostrata in figura 1 appunto –, nella quale la guarnizione di tenuta frontale 37 è lontana dalla prospiciente superficie 13a del disco 13, e una posizione avanzata attiva - verso destra, non mostrata nelle figure -, nella quale la guarnizione di tenuta frontale 37 si appoggia alla prospiciente superficie 13a di detto disco 13. Detta posizione avanzata viene attivata a rotore fermo (ad esempio durante operazioni di manutenzione o sostituzione della tenuta rotante 15b) per isolare l’ambiente B dall’ambiente A o C.

Lo spostamento dell’anello mobile 30 è causato da fluido in pressione fornito attraverso il condotto 44. Il ritorno nella posizione iniziale è causato da molle 38.

Le guarnizioni 34, 35 e 37 sono soggette a usura se esposte per lungo tempo ad alte temperature. Inoltre, pur lavorando a temperature compatibili con il materiale elastomero con cui vengono realizzate le guarnizioni 34 e 35, sono poco indicate per il comportamento dinamico a cui devono essere sottoposte. Questi problemi sono risolti dalla soluzione rivendicata nella presente invenzione, in quanto tali guarnizioni 34 e 35 possono essere eliminate; ne verrà ora descritta in dettaglio la forma di realizzazione preferita.

Essenzialmente la porzione di turbina mostrata nelle figure 2-7 include alcune componenti e parti equivalenti a quelli rappresentati e descritti sopra in relazione alla figura 1, che per semplicità vengono indicati con gli stessi numeri di riferimento.

Inoltre, nella descrizione e nelle figure riguardanti la presente invenzione, verranno definiti per semplicità solo due ambienti: un primo ambiente E, comprendente un qualsiasi ambiente posto tra il pistone a soffietto 30x oggetto della presente invenzione e l’ambiente esterno, e un secondo ambiente D definito come lo spazio interno alla macchina dove è presente il fluido di lavoro. Pertanto, ad esempio, gli ambienti A e C della figura 1 sono inclusi nell’ambiente E delle figure 2-7.

L’albero rotante 15 è supportato da cuscinetti 20 rispetto a un cannotto di supporto 19, definito anche mandrino, stazionario. Con il riferimento 15b sono schematizzati una tenuta meccanica e il relativo alloggiamento, equivalenti al sistema di tenuta 15a-15b mostrato in figura 1.

Nell’esempio mostrato, la testa 15c dell’albero rotante 15 presenta una sezione avente diametro maggiore del resto dell’albero 15, così come rappresentato nelle figure 2-7, in corrispondenza della testa 15c.

L’espressione “assiale” è qui utilizzata per indicare assi o direzioni parallele all’asse di rotazione dell’albero 15.

Il cannotto di supporto 19 è vincolato alla struttura statica 17 della turbina, ad esempio la cassa, per interposizione di un anello di collegamento 12, a sua volta accessoriato con l’elemento 12’ (fig. 2 e 3). Nella cassa 17 è definita un’apertura 6 per l’ingresso del fluido di lavoro nella turbina, indirizzato verso la schiera di pale statoriche 7 per l’inizio dell’espansione. La schiera di pale rotoriche 8 fluidicamente accoppiata alla schiera di pale statoriche 7 è posta immediatamente a valle di questa ed è supportata da un disco rotorico 13 a sua volta accoppiato all’albero 15, in corrispondenza della sua testa 15c, in modo da ruotare con esso in modo solidale.

La figura 3 è un ingrandimento di figura 2, e mostra in dettaglio il dispositivo 10 di tenuta. Nell’anello di collegamento 12, che funziona da flangia tra il cannotto di supporto 19 e la cassa 17 della turbina, sono previsti:

- un condotto 11 di adduzione di un fluido pressurizzato per l’attivazione dello stesso dispositivo 10 di tenuta;

- una sede 31, definita in particolare dall’anello di collegamento 12 e dall’elemento ad esso associato 12’, nella quale è assialmente mobile un pistone a soffietto 30x raggiunto dal condotto 11.

Tra l’anello di collegamento 12 e l’anello 30’ del pistone a soffietto 30x sono previste tenute frontali (ad esempio di grafite) 60, schematizzate nei disegni come rettangoli neri, così come tra l’anello 30’ e l’elemento 12’.

La sede 31 può essere eventualmente realizzata direttamente nella cassa 17. La presenza dei componenti 12 e 12’, vincolati alla cassa ma comunque separabili da essa, consente però un agevole montaggio (durante la realizzazione della macchina) o smontaggio (nel caso in cui il sistema di tenuta 10 riscontrasse dei malfunzionamenti o si decidesse di eseguire un revamping dell’intera macchina) del sistema di tenuta a soffietto 10, essendo questo completamente estraibile dalla cassa, dal lato dove è presente il mandrino. La figura 4 mostra il pistone a soffietto 30x isolato dagli altri componenti della turbina. Il pistone a soffietto 30x è un elemento anulare formato da due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22, concentrici, ad esempio in acciaio, saldati a un lato (sinistro nelle figure) ad un primo anello 30’ e dall’altro (destro nelle figure) ad un secondo anello 30”. Sull’anello destro 30” è presente una superficie di tenuta 37 destinata a impegnare una corrispondente sede anulare 40 ricavata sulla superficie della testa 15c dell’albero rotante, rivolta verso il cannotto di supporto 19. In una configurazione analoga, la sede anulare 40 è ricavata direttamente sul disco rotorico 13 o qualsiasi altra parte solidale all’albero rotante. Le superfici di tenuta 37 e 40 possono essere due superfici complementari (concava - convessa) oppure piane (una o entrambe). I due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 si estendono attorno all’anello di collegamento 12, esternamente rispetto all’albero rotante 15.

Il diametro dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 è differente, dimodoché tra l’elemento cilindrico a soffietto interno 21 e l’elemento cilindrico a soffietto esterno 22 è definito un volume interno Vi. Attraverso l’anello 30’ si estende parte del condotto 11 di adduzione di fluido pressurizzato. Quando il pistone a soffietto 30x è inserito nella relativa sede 31 ricavata nell’anello di collegamento 12, il condotto 11 consente l’alimentazione di un fluido in pressione nel volume interno Vi per causare l’espansione/dilatazione del pistone a soffietto 30x.

Come mostrato nelle figure 3 e 4, l’anello sinistro 30’ è vincolato all’anello di collegamento 12, e quindi indirettamente alla cassa 17, e pertanto rimane stazionario. L’accoppiamento è ottenibile con viti o bulloni. L’anello di sinistra 30”, invece, non è bloccato assialmente ma è libero di spostarsi nella sede 31 verso il disco rotorico 13; pertanto la pressurizzazione del volume interno V i causa una dilatazione dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 che spingono l’anello 30” verso il disco rotorico 13 o la testa 15c dell’albero, fino a portare la superficie di tenuta 37 in battuta contro la sede anulare 40.

Il pistone a soffietto 30x è radialmente vincolato nella sede 31, tra l’anello di collegamento 12 e l’elemento 12’: in particolare, l’anello 30’’ è libero di muoversi lungo le superfici cilindriche delimitate dall’anello 12 (posto radialmente più all’interno del pistone a soffietto) o dall’elemento 12’ (all’esterno del soffietto); pertanto l’espansione a fisarmonica dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 può avvenire solamente in direzione assiale, guidata tra due superfici cilindriche.

In pratica la pressurizzazione del volume interno Vi provoca lo spostamento dell’anello 30’’ del pistone a soffietto 30x verso la posizione avanzata, attiva, mostrata in figura 5.

Come mostrato in figura 5, appunto, premendo sulla testa 15c dell’albero, l’anello 30” realizza un sistema di tenuta che isola l’ambiente interno D della turbina dalla zona in cui sono montati i cuscinetti 20 e la tenuta meccanica 15b, rendendo così possibile lo smontaggio degli stessi in sicurezza, evitando le fuoriuscite o la contaminazione del fluido di lavoro. La turbina è infatti mostrata parzialmente smontata in figura 5, con il cannotto di supporto 19 distanziato dal dispositivo di tenuta 10 e dalla cassa 17. Successivamente è anche possibile rimuovere la tenuta rotante 15b, ancora senza che vi sia comunicazione tra gli ambienti D ed E.

La superficie di tenuta 37 è ottenibile utilizzando un O-ring in materiale elastomerico ma, come descritto in relazione alla tecnica nota, la guarnizione O-ring risentirebbe negativamente delle alte temperature. Pertanto, preferibilmente la superficie di tenuta 37 è una guarnizione metallica o è ottenuta lavorando opportunamente una sporgenza dell’anello 30’’, in modo da realizzare con la sede 40 un semplice contatto metallo-metallo. In tal caso, è consigliabile rettificare la superfice 37 e la sede 40, per ottenere le massime prestazioni in termini di tenuta di fluido. Da notare comunque che una piccola perdita tra le superfici 37 e 40 potrebbe essere tollerata in quanto presente solo durante le poche ore necessarie a realizzare la manutenzione, mentre è molto più importante l’eliminazione delle guarnizioni statiche 34 e 35 di figura 1, perché una perdita attraverso di esse agirebbe durante tutto il tempo di funzionamento “normale” della macchina.

Vantaggiosamente, come si può notare osservando la figura 5, il dispositivo di tenuta 10 permette di smontare la turbina senza l’utilizzo di o-ring tra parti stazionarie e parti mobili (34 e 35 in figura 1). A turbina ferma, prima di togliere i cuscinetti, il rotore e l’albero sono bloccati e sostenuti con almeno una vite passante nella cassa, azionabile dall’esterno e in grado di entrare in presa su un corrispondente foro filettato presente sul rotore (vedi chiavistello di blocco 51 in figura 1). Dopo aver azionato il dispositivo di tenuta 10, è possibile procedere alla sostituzione dei cuscinetti 20 e della tenuta meccanica 15b posti all’intero della turbina. I cuscinetti 20 o la tenuta meccanica 15b, se aventi dimensioni inferiori al diametro intero del cannotto di supporto 19, possono essere sfilati dall’estremità sinistra dell’albero 15, dato che la configurazione della turbina è a sbalzo. In caso contrario, il cannotto di supporto 19 può essere svincolato dalle altre parti fisse, consentendo di estrarre i cuscinetti 20 e la tenuta meccanica 15b, sempre mantenendo l’ambiente interno D della turbina isolato dall’ambiente esterno E.

La pressurizzazione del pistone a soffietto 30x è attuabile con aria, olio lubrificante o con il fluido di lavoro del ciclo ORC.

Al termine delle operazioni di manutenzione si interrompe l’adduzione di fluido in pressione nel condotto 11 e la pressione nel volume Vi interno al pistone a soffietto 30x rapidamente ritorna al valore iniziale, causando la contrazione dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 (ritorno elastico) e il conseguente arretramento dell’anello 30” nella sede 31, cioè causando il ritorno del pistone a soffietto 30x nella posizione arretrata, inattiva, mostrata in figura 2.

È consigliabile dimensionare le anse dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 per evitare che, con basse differenze di pressione tra il volume interno Vi e l’esterno, il pistone a soffietto 30x possa estendersi/dilatarsi fino a raggiungere la posizione avanzata attiva. Questo accorgimento serve ad evitare che il pistone a soffietto 30x possa entrare in contatto con la parte rotorica durante il normale funzionamento della turbomacchina; ad esempio, negli impianti operanti a pressione inferiore a quella atmosferica e nei quali il volume interno Vi del soffietto è tenuto a pressione atmosferica durante il normale funzionamento della macchina, il pistone a soffietto 30x risentirebbe sempre di una differenza di pressione che lo porterebbe a muoversi verso il disco rotorico 13. Tale funzionamento è possibile scegliendo un’opportuna rigidezza degli elementi a soffietto, ovvero scegliendo ad esempio il numero di anse per unità di lunghezza, la forma e lo spessore delle anse.

Nella seguente tabella 1 è illustrata una possibile modalità operativa del dispositivo di tenuta 10 a seconda della differenza di pressione tra il volume interno Vi del pistone a soffietto 30x e l’ambiente interno D.

Tabella 1

Per differenze di pressione inferiori a 2 bar, la deformazione assiale dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 verso la testa 15c dell’albero è trascurabile, ovvero inferiore al millimetro. Per differenze di pressione di 4 bar, la deformazione assiale dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 è tale da spostare l’anello 30” verso la testa 15c di 5 mm, circostanza che porta l’anello 30” in leggero contatto con la testa dell’albero 15c, ma senza che vi sia una spinta sufficiente a creare la tenuta. Aumentando la differenza di pressione, aumenta la forza di contatto tra l’anello 30” e la testa 15c, e in particolare tra la superficie di tenuta 37 e la sede 40, fino all’ottenimento della tenuta.

In una configurazione alternativa, non mostrata nelle figure, il pistone a soffietto 30x è tenuto nella posizione arretrata, inattiva, da molle; questa scelta, però, richiede spazio aggiuntivo per posizionare le molle nella turbina e una maggiore pressurizzazione del volume Vi quando si vuole attivare il pistone a soffietto 30x durante il fermo della turbina.

Nella forma di realizzazione preferita della presente invenzione il pistone a soffietto 30x è raffreddato e funziona da elemento radiatore che mantiene la temperatura del sistema di tenuta, oggetto della presente invenzione, inferiore rispetto alla temperatura del fluido di lavoro che viene a trovarsi nell’ambiente D. Il raffreddamento è ottenibile alimentando un fluido di raffreddamento nel volume Vi interno al pistone a soffietto 30x, avendo cura che la pressione del fluido di raffreddamento nel volume Vi non raggiunga o superi la pressione minima necessaria ad attivare il pistone a soffietto 30x, cioè necessaria a causare l’espansione/dilatazione dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 e il movimento della superficie di tenuta 37 verso la parte rotorica.

Fluidi di raffreddamento adatti allo scopo sono, ad esempio, olio o lo stesso fluido di lavoro usato nel ciclo termodinamico nel quale la turbomacchina è inserita. La portata di fluido di raffreddamento può circolare in un circuito dedicato o provenire da un altro circuito di raffreddamento del sistema di lubrificazione.

La possibilità di utilizzare il pistone a soffietto 30x anche come superficie radiante permette di migliorare le condizioni di lavoro della tenuta meccanica 15b, la cui vita operativa – come si è detto in relazione alla tecnica nota, tende a diminuire al crescere della temperatura di esercizio.

Per via del fatto che i due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22, proprio in virtù della configurazione a soffietto, presentano una grande superficie di scambio termico, in relazione all’estensione assiale del pistone a soffietto 30x, il raffreddamento risulta particolarmente efficiente.

La figura 5 mostra schematicamente un possibile sistema di attivazione del pistone a soffietto 30x nella circostanza in cui il sistema di tenuta 10 non sia utilizzato anche per il raffreddamento. In questo caso è sufficiente una singola linea 202 di adduzione del fluido pressurizzato, ad esempio una linea di aria compressa o una bombola di azoto, collegati alla valvola 201; in seguito alla pressurizzazione, la valvola 201 viene chiusa. È inoltre consigliabile utilizzare anche un serbatoio di accumulo 200, per compensare eventuali perdite del circuito e consentire di effettuare la manutenzione in sicurezza.

La figura 6 mostra schematicamente un possibile sistema di attivazione del pistone a soffietto 30x nella circostanza in cui il sistema di tenuta 10 sia soggetto a raffreddamento. Il volume Vi interno ai due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 è associato a due condotti: un condotto di ingresso 11A e uno di uscita 11B, in modo da realizzare un circuito di raffreddamento 300.

Nell’esempio mostrato in figura 6, il circuito 300 comprende una pompa 100 che preleva il fluido di raffreddamento da una vasca 105 e lo spinge nel pistone a soffietto 30x attraverso il canale di ingresso 11A. Dopo aver assolto alla sua funzione di raffreddare il pistone a soffietto 30x, il fluido di raffreddamento esce attraverso il canale 11B e ritorna alla vasca 105, che è raffreddata con opportuni mezzi e circuiti (non mostrati).

Quando si deve azionare il dispositivo di tenuta 10, a macchina ferma, la pompa 100 con motore elettrico viene fermata, e la valvola 103 posta sul canale di uscita 11B viene chiusa. Viene quindi azionata una pompa 101, ad esempio di tipo volumetrico e manuale a pistone, per pressurizzare il circuito 300 e il pistone a soffietto 30x. Una valvola di sfioro 102 della pompa principale 100 serve a evitare un’eccessiva pressurizzazione del pistone a soffietto 30x. È possibile pressurizzare il pistone a soffietto con la sola pompa 100, chiudendo la valvola 103 e lasciando scaricare l’eccesso di portata dalla valvola di sfioro 102.

Risulta preferibile azionare ovvero pressurizzare il pistone con un sistema manuale a circuito chiuso in quanto indipendente da eventuali guasti o interruzioni di rete, che possono provocare l’involontario disinserimento del sistema di tenuta a soffietto.

Le figura 7 e 8 sono viste schematiche della forma di realizzazione preferita del pistone a soffietto 30y. Per migliorare l’efficacia come barriera termica, il volume interno Vi del pistone a soffietto 30y è stato suddiviso in tre camere V11, V12 e V13 per mezzo di due setti radiali 21A e 21B: questo accorgimento permette di evitare zone di ristagno e creare un percorso preferenziale per il fluido di raffreddamento. Ciascun setto 21A e 21B è parte rispettivamente degli anelli 20A e 20B, saldati alle anse dell’elemento a soffietto 21, e sono posti a circa un terzo e due terzi dell’estensione assiale del pistone a soffietto 30y.

La mandata di fluido di raffreddamento nel volume interno Vi avviene attraverso una cannula 50 fino alla camera V11, la più distante dall’ingresso IN. Il fluido di raffreddamento si distribuisce tangenzialmente, come indicato dalla freccia tratteggiata in figura 8. Nella camera V11 il fluido di raffreddamento, delimitato a sinistra dal setto 21B e a destra dall’anello 30”, scorre tangenzialmente lungo le anse tra i due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22, fino a scavalcare il setto 21B, a circa 180° rispetto al canale di ingresso IN, ovvero laddove il setto 21B è interrotto per una certa estensione angolare. Il fluido passa quindi alla camera intermedia V12 e prosegue il suo percorso tangenzialmente, delimitato a sinistra dal setto 21A e a destra dal setto 21B. In corrispondenza della cannula di ingresso 50, il setto 21A è interrotto e pertanto il fluido accede alla camera V13, percorre nuovamente lo spazio tra i soffietti e infine si dirige verso l’uscita OUT.

Il passaggio del fluido di raffreddamento tra le camere V11 - V13 definite dai setti radiali 21A 21B avviene laddove i setti 21A, 21B non intercettano radialmente tutto l’interstizio presente tra i due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22: nelle figure 7 e 8, il setto 21B è interrotto nella parte superiore, mentre il setto 21A è interrotto nella parte inferiore, laddove c’è anche la cannula 50 di ingresso; ad esempio, in entrambi i casi l’interruzione del setto si estende per circa 20° gradi.

Nel caso in cui i diametri medi dei due elementi cilindrici a soffietto 21 e 22 siano sensibilmente differenti, o per altre esigenze costruttive (ad esempio, per compensare rigidezze differenti), è possibile che gli elementi a soffietto abbiano anse diverse in numero, dimensione e forma. Ciascun elemento cilindrico a soffietto 21, 22 può essere realizzato a parete singola o con tecniche multistrato.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo (10) di tenuta di fluido per macchine rotanti aventi una parte rotorica girevole rispetto a una parte statorica (17) in presenza di un fluido di lavoro, in cui la parte rotorica comprende almeno un disco rotorico (13) portato da un albero rotante (15), a sua volta supportato mediante cuscinetti (20) e dotato di almeno una tenuta rotante (15b) per il confinamento del fluido di lavoro, comprendente un elemento anulare (30x) concentrico all’albero rotante (15) e dotato di almeno una superficie anulare di tenuta (37), e una sede (31) dell’elemento anulare (30x) nella parte statorica, in cui detto elemento anulare (30x) è attivabile per isolare l’ambiente interno (D) della macchina rotante, dove è presente il fluido di lavoro, dall’ambiente esterno (E), caratterizzato dal fatto che detto elemento anulare è un pistone a soffietto (30x) estendibile o dilatabile per portare la superficie anulare di tenuta (37) da una posizione arretrata, inattiva, in corrispondenza della quale la superficie anulare di tenuta (37) non interagisce con la parte rotorica, a una posizione avanzata, attiva, in corrispondenza della quale la superficie anulare di tenuta (37) è in battuta contro un componente della parte rotorica, ad esempio il disco rotorico (13) o la testa (15c) dell’albero (15), e garantisce l’isolamento.
2. 2. Dispositivo di tenuta (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la sede (31) del pistone a soffietto è una sede anulare, concentrica all’albero rotante (15), che si estende in direzione assiale, cioè parallelamente all’asse di rotazione dell’albero rotante (15), tra la parte statorica della macchina fino a fronteggiare il disco rotorico (13) o la testa (15c) dell’albero (15), e in cui il pistone a soffietto (30x) è assialmente scorrevole nella sede (31) per effetto di detta estensione/dilatazione.
3. 3. Dispositivo di tenuta (10) secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, in cui il pistone a soffietto (30x) comprende due elementi cilindrici a soffietto (21, 22), aventi diametri diversi e disposti concentrici, uniti ad un primo anello (30’) in corrispondenza di un primo bordo e ad un secondo anello (30”) in corrispondenza del bordo opposto, e in cui un volume interno (Vi), pressurizzabile, è definito tra i due elementi cilindrici a soffietto (21, 22) e i due anelli (30’, 30”).
4. 4. Dispositivo di tenuta (10) secondo la rivendicazione 3, in cui un condotto (11) di adduzione di un fluido pressurizzato si estende attraverso il primo anello (30’) per permettere l’attivazione del dispositivo di tenuta (10).
5. 5. Dispositivo di tenuta (10) secondo la rivendicazione 3 o la rivendicazione 4, in cui il primo anello (30’) è inserito nella sede (31) del pistone a soffietto (30x) ed è rivolto verso la parte statorica della macchina ed è solidale ad essa, e in cui il secondo anello (30”), mobile assialmente, porta la superficie di tenuta (37) ed è rivolto verso il disco rotorico (13) o la testa (15c) dell’albero (15).
6. 6. Dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 3-5, in cui il pistone a soffietto (30x) è attivabile pressurizzando il volume interno (Vi) ad una pressione maggiore di quella presente nell’ambiente (D) interno alla macchina ed è disattivabile ripristinando nel volume interno (Vi) una pressione minore di quella minima necessaria per portare la superficie anulare di tenuta (37) a contatto con la parte rotorica.
7. 7. Dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 3-6, in cui i due elementi cilindrici a soffietto (21, 22), il primo anello (30’) e il secondo anello (30”) sono metallici e sono uniti con saldature.
8. 8. Dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-7, in cui la superficie anulare di tenuta (37) è metallica, ricavata direttamente sul pistone a soffietto (30x), ed è destinata ad attestarsi contro una superficie piana o una sede (40) di forma complementare alla superficie di tenuta (37), ricavata nel disco rotorico (13) o nella testa (15c) dell’albero, oppure è una guarnizione anulare in un materiale elastomerico.
9. 9. Dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-8, in cui all’interno del pistone a soffietto (30x) è alimentato un fluido di raffreddamento durante il normale funzionamento della macchina.
10. 10. Dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 3-9, in cui almeno uno tra i due elementi cilindrici a soffietto (21, 22) comprende uno o più setti radiali (21A, 21B) che dividono il volume interno (Vi) in due o più camere comunicanti (V11 - V13) disposte in successione tra il primo anello (30’) e il secondo anello (30”), in modo da creare un percorso preferenziale per il fluido di raffreddamento.
11. 11. Dispositivo di tenuta (10) secondo la rivendicazione 10, in cui il pistone a soffietto presenta un ingresso (IN) per il fluido di raffreddamento ricavato nel primo anello (30’) e una cannula (50) che si estende dall’ingresso (IN) fino alla camera (V11) prossima al secondo anello (30”), e comprendente un’uscita (OUT) per il fluido di raffreddamento ricavata nel primo anello (30’), in posizione diametralmente opposta rispetto all’ingresso (IN), e in cui il fluido di raffreddamento passa dalla camera (V11) prossima al secondo anello (30’’) alle altre camere e infine all’uscita (OUT), scavalcando i setti radiali (21A, 21B) laddove questi sono interrotti.
12. 12. Una turbomacchina comprendente una parte statorica e una parte rotorica che ruota rispetto alla parte statorica per effetto dell’azione esercitata da un fluido di lavoro alimentato alla turbomacchina, in cui la parte rotorica comprende almeno un disco rotorico (13) portato da un albero rotante (15), a sua volta supportato mediante cuscinetti (20) e dotato di almeno una tenuta (15b) per il confinamento del fluido di lavoro, e comprendente un elemento anulare (30x) concentrico all’albero rotante (15) e dotato di almeno una superficie anulare di tenuta (37), e una sede (31) dell’elemento anulare (30x) nella parte statorica, in cui un detto elemento anulare (30x) è attivabile per isolare l’ambiente (E) esterno alla macchina dall’ambiente (D) interno alla macchina, dove è presente il fluido di lavoro, caratterizzata dal fatto di comprendere un dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il pistone a soffietto (30x) è attivabile per portare la relativa superficie anulare di tenuta (37) dalla posizione arretrata, inattiva, alla posizione avanzata, attiva, per isolare l’ambiente esterno (E) dall’ambiente interno (D) durante il fermo macchina, e viceversa, dalla posizione avanzata, attiva, alla posizione arretrata, inattiva, per non ostacolare la parte rotorica durante il normale funzionamento della turbomacchina.
13. 13. Turbomacchina secondo la rivendicazione 12, caratterizzata dal fatto di essere una turbina operante in un ciclo Rankine a fluido organico.
14. 14. Un metodo di confinamento di un fluido di lavoro in una turbomacchina comprendente una parte statorica e una parte rotorica ruotabile rispetto alla parte statorica per effetto dell’azione esercitata dal fluido di lavoro, in cui la parte rotorica comprende almeno un disco rotorico (13) portato da un albero rotante (15), a sua volta supportato mediante cuscinetti (20) e dotato di almeno una tenuta (15b) per impedire la fuoriuscita del fluido di lavoro, il metodo comprendendo le seguenti fasi: a) predisporre attorno all’albero rotante (15), e preferibilmente attorno alla tenuta (15b), concentricamente, un dispositivo di tenuta (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, provvisto di un pistone a soffietto (30x) attivabile per separare l’ambiente (D) interno alla turbomacchina, dove è presente il fluido di lavoro, dall’ambiente (E) esterno alla turbomacchina; b) fermare la turbomacchina ed estendere/dilatare il pistone a soffietto (30x) per portare la relativa superficie anulare di tenuta (37) dalla posizione arretrata, inattiva, alla posizione avanzata, attiva, e mantenerlo in tale posizione per isolare l’ambiente esterno (E) dall’ambiente interno (D) per il lasso di tempo necessario, c) se necessario, sostituire i cuscinetti (20) e/o la tenuta (15b). d) disattivare il pistone a soffietto (30x) per riportare la relativa superficie anulare di tenuta (37) dalla posizione avanzata, attiva, alla posizione arretrata, inattiva, prima di riavviare la turbomacchina.