IT201800002047A1

IT201800002047A1 - Un turboespantore radiale multistadio

Info

Publication number: IT201800002047A1
Application number: IT201800002047A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Iurisci; Festa Paola Di; Francesco Cangioli; Davide Biliotti
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2018-01-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2019-07-26
Also published as: US10927756B2; EP3517729A1; US20190234301A1; EP3517729B1

Description

UN TURBOESPANTORE RADIALE MULTISTADIO

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

[0001] La presente descrizione riguarda turbomacchine, più specificamente forme di realizzazione qui descritte riguardano turboespantori, in particolare turboespantori multistadio.

ARTE ANTERIORE

[0002] Le turbomacchine sono dispositivi dove energia meccanica in forma di lavoro su un albero viene trasferita a o prelevata da un fluido che fluisce in maniera continua per mezzo dell'azione dinamica di pale ruotanti. I turboespantori sono turbomacchine in cui un fluido di lavoro comprimibile pressurizzato viene espanso mentre fluisce in canali di flusso definiti fra pale di un rotore. L'espansione del fluido di lavoro provoca una conversione dell'entalpia del fluido di lavoro in espansione in potenza meccanica, disponibile sull'albero del turboespantore.

[0003] I turboespantori sono spesso usati in molti sistemi e impianti industriali, in cui un flusso di fluido di lavoro pressurizzato ed eventualmente caldo è disponibile e può essere usato per estrarre da esso potenza tramite conversione di entalpia del fluido di lavoro in potenza meccanica.

[0004] I turboespantori possono essere classificati in turboespantori assiali, in cui il flusso del fluido di lavoro è sostanzialmente parallelo all'asse del rotore, e in turboespantori radiali, in cui il flusso del fluido di lavoro è sostanzialmente radiale in almeno una parte del percorso di fluido di lavoro attraverso il turboespantore. Il fluido fluisce usualmente in una direzione centripeta, cioè entra nella girante in una prima posizione radiale ed esce dalla girante in una seconda posizione radiale che è più vicina della prima posizione radiale all'asse di rotazione della girante.

[0005] Alcuni turboespantori noti sono provvisti di una trasmissione a ingranaggi integrata. Una ruota dentata centrale ingrana con una pluralità di pignoni. Ciascun pignone è montato su un rispettivo albero per ruotare con esso. L'albero supporta a sbalzo una o due giranti. Ciascuna girante è alloggiata in un rispettivo alloggiamento e forma con esso uno degli stadi del turboespantore.

[0006] Turboespantori a moltiplicatore integrato sono usati ad esempio in sistemi cosiddetti CAES (Compressed Air Energy Storage). Esempi di turboespantore a moltiplicatore integrato sono descritti in F.Buffa, Simon Kemble, G.Manfrida, A.Milazzo: “Exergy and Exergoeconomic Model of a Ground-Based CAES Plant for Peak-Load Energy Production”, Energies 2013, 6, 1050-1067, DOI:10.3390/en6021050; ISSN 1996-1073, disponibile in www.mdpi.com/journals/energies.

[0007] Il treno di ingranaggi formato dalla ruota dentata centrale e dai pignoni periferici che ingranano con essa è complesso e ingombrante, e aumenta l'ingombro in pianta del turboespantore. Gli ingranaggi influiscono negativamente sull'efficienza complessiva del turboespantore, poiché parte della potenza meccanica generata dall'espansione viene dissipata dall'attrito meccanico nel treno di ingranaggi.

[0008] Il fluido di lavoro gassoso si espande sequenzialmente attraverso giranti montate su alberi differenti, cosicché potenza generata da ciascuna girante viene trasferita alla ruota dentata centrale, la quale a sua volta può essere accoppiata meccanicamente a un carico, ad esempio attraverso un albero centrale, su cui la ruota dentata centrale è integralmente montata. Ciascuna girante deve essere in accoppiamento di fluido con una girante seguente o precedente attraverso un condotto. È quindi richiesto un complesso sistema di tubature per far fluire il fluido di lavoro gassoso attraverso la pluralità di stadi del turboespantore. Questo aumenta la complessità del turboespantore.

[0009] Nella tecnica sarebbe pertanto benvenuto un turboespantore più compatto e meno complesso.

SOMMARIO

[0010] Forme di realizzazione di quanto qui descritto possono fornire un turboespantore multistadio comprendente una cassa e un albero disposto per ruotare nella cassa. L'albero può essere supportato in rotazione nella cassa da un primo cuscinetto ad una prima estremità di albero e da un secondo cuscinetto ad una seconda estremità di albero. Ciascun cuscinetto può a sua volta comprendere uno o più componenti di cuscinetto, ad esempio un componente di cuscinetto radiale e un componente di cuscinetto assiale, o reggispinta, in combinazione. Una prima girante radiale e una seconda girante radiale sono disposte sull'albero per ruotare integralmente con esso attorno ad un asse di rotazione. La prima girante e la seconda girante sono disposte fra il primo cuscinetto e il secondo cuscinetto in una disposizione cosiddetta fra cuscinetti.

[0011] Non si esclude l'utilizzo di più di due giranti sullo stesso albero.

[0012] Secondo un ulteriore aspetto, viene qui descritto un metodo per generare potenza meccanica espandendo un fluido di lavoro, comprendente le seguenti fasi, che possono essere eseguite in qualunque opportuno ordine o combinazione a meno che non sia esplicitamente indicato il contrario:

alimentare un flusso di fluido di lavoro compresso ad una prima girante radiale montata su un albero supportato per ruotare in una cassa da un primo cuscinetto e da un secondo cuscinetto, la prima girante radiale essendo montata fra il primo cuscinetto e il secondo cuscinetto;

espandere parzialmente il flusso di fluido di lavoro compresso nella prima girante radiale e generare con esso potenza meccanica, detta potenza meccanica essendo disponibile sull'albero;

scaricare un flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso dalla cassa; alimentare il flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso ad una seconda girante radiale montata sull'albero fra il primo cuscinetto e il secondo cuscinetto; e espandere ulteriormente il flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso nella seconda girante radiale e generare con esso potenza meccanica, detta potenza meccanica essendo disponibile sull'albero.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0013] Un apprezzamento più completo delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti sarà ottenuta dalla sua migliore comprensione con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

Fig.1 illustra una sezione di una forma di realizzazione di un turboespantore multistadio secondo la presente descrizione; la

Fig.2 illustra uno schema di un sistema che comprende il turboespantore multistadio della Fig.1; e la

Fig.3 illustra un diagramma di flusso che riassume un metodo per produrre potenza meccanica con un turboespantore qui descritto.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE

[0014] Per fornire un turboespantore più semplice, meno costoso ma efficiente, secondo forme di realizzazione qui descritte il turboespantore comprende una cassa e un albero montato per ruotare in essa. L'albero può essere supportato girevolmente da cuscinetti ad entrambe le estremità di esso. I cuscinetti non richiedono di essere montati esattamente alle estremità dell'albero, bensì piuttosto a porzioni terminali di esso, essendo inteso che una o entrambe le porzioni terminale dell'albero possono sporgere all'esterno dei cuscinetti, ad esempio essi possono sporgere dalla cassa o possono essere accessibili dall'esterno della cassa. Un carico può così essere accoppiato meccanicamente ad una o ad entrambe le estremità dell'albero. Inoltre, in forme di realizzazione qui descritte, almeno due giranti radiali sono montate sull'albero per ruotare integralmente con esso nella cassa. Fluido di lavoro può fluire attraverso un primo stadio del turboespantore, che comprende una delle giranti radiali. Fluido di lavoro parzialmente espanso può essere rimosso dalla cassa per essere sottoposto ad un’azione termodinamica, ad esempio per essere nuovamente riscaldato, prima di essere alimentato ad un secondo stadio del turboespantore, che comprende la seconda girante radiale.

[0015] Il turboespantore multistadio che ne risulta è più compatto e meno complesso rispetto ad un turboespantore a moltiplicatore integrato.

[0016] Nel modo qui usato, il termine "girante radiale" può essere inteso come una girante in cui le pale di girante definiscono canali di flusso che si estendono almeno in parte in una direzione radiale, cioè in una direzione approssimativamente ortogonale all'asse di rotazione dell'albero, piuttosto che parallelamente all'albero. Il termine "girante radiale" comprende pertanto anche quelle giranti, in cui il fluido di lavoro fluisce almeno parzialmente in una direzione assiale, cioè sostanzialmente parallela all'asse di rotazione, ad esempio giranti in cui la direzione di ingresso del fluido di lavoro è sostanzialmente radiale e la direzione di scarico del fluido di lavoro è sostanzialmente assiale.

[0017] La velocità del fluido di lavoro che si espande nel turboespantore ha generalmente una componente di velocità tangenziale. Pertanto, nel senso qui inteso, una direzione assiale del flusso e una direzione assiale del flusso generalmente comprendono anche una componente di velocità tangenziale.

[0018] Sarà ora fatto riferimento in maggiore dettaglio a forme di realizzazione della descrizione, di cui uno o più esempi sono illustrati nei disegni. Ciascun esempio è fornito come spiegazione della descrizione, e non come limitazione della descrizione. Infatti, sarà chiaro agli esperti del ramo che varie modifiche e alterazioni possono essere introdotte nella presente descrizione senza allontanarsi dall'ambito o spirito della descrizione. Il riferimento in tutta la descrizione a "una forma di realizzazione" o "alcune forme di realizzazione" significa che la particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in combinazione con una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto descritto. Pertanto l'utilizzo della frase "in una forma di realizzazione" o "in alcune forme di realizzazione" in diversi punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre, particolari caratteristiche, strutture o elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

[0019] Quando si introducono elementi di varie forme di realizzazione gli articoli "un", "una", "il", e "detto" si intende significare che vi sono uno o più di tali elementi. I termini "comprendente", "includente" e "avente" sono intesi come inclusivi e significano che vi possono essere elementi addizionali oltre agli elementi elencati.

[0020] Riferendosi ora ai disegni, in alcune forme di realizzazione, un turboespantore 1 comprende una cassa 3 avente una prima estremità assiale 3A e una seconda estremità assiale 3B. "Assiale" nel senso qui inteso può riferirsi alla direzione definita dall'asse di rotazione dell'albero del turboespantore.

[0021] La cassa 3 può essere una cassa ad apertura verticale o una cassa ad apertura orizzontale. Un albero 5 è supportato per ruotare nella cassa. L'albero 5 ha un asse di rotazione A-A, una prima porzione di estremità 5A e una seconda porzione di estremità 5B. In alcune forme di realizzazione, la prima porzione di estremità 5A può estendersi con una sezione terminale di albero 7A all'esterno della cassa 3, o può essere accessibile dall'esterno della cassa 3. In alcune forme di realizzazione, la seconda porzione di estremità 5B può estendersi con una sezione terminale di albero 7B al di fuori della cassa 3, o può essere accessibile dall'esterno della cassa 3.

[0022] La sezione terminale di albero 7A, o la sezione terminale di albero 7B, o entrambe possono essere atte a essere accoppiate meccanicamente a un carico, non mostrato in Fig.1, per mezzo di un opportuno giunto, ad esempio un giunto flessibile. Il carico può essere accoppiato all'albero 5 senza un riduttore ad ingranaggi intermedio o altro dispositivo di manipolazione della velocità, cosicché il carico può ruotare sostanzialmente alla stessa velocità di rotazione dell'albero 5. Sostanzialmente, la stessa velocità di rotazione significa che la velocità di rotazione del carico e la velocità di rotazione dell'albero sono uguali eccetto per minori fluttuazioni di velocità dovute a deformazioni torsionali della linea d'asse, cioè dell'albero 5, dell'albero del carico e di eventuali accoppiamenti intermedi, quali un giunto flessibile o un innesto.

[0023] Nella forma di realizzazione illustrata nella Fig.1, l'albero 5 è supportato da un primo cuscinetto 9 e da un secondo cuscinetto 11. Il primo cuscinetto 9 può essere disposto in corrispondenza della prima porzione terminale di albero 5A e il secondo cuscinetto 11 può essere disposto in corrispondenza della seconda porzione terminale di albero 5B. Uno o entrambi i cuscinetti 9, 11 possono di fatto comprendere uno o più componenti di cuscinetto. Nel senso qui utilizzato, il termine "cuscinetto" può quindi essere inteso come qualunque disposizione di uno o più componenti, che hanno una capacità di carico assiale, cioè sono atti a supportare carichi assiali, una capacità di carico radiale, cioè sono atti a supportare un carico radiale, o una capacità di carico combinato assiale e radiale.

[0024] Nella forma di realizzazione della Fig.1, il cuscinetto 9 comprende un elemento di cuscinetto assiale, o elemento di cuscinetto reggispinta 13, e un elemento di cuscinetto radiale 15. Il cuscinetto 11 comprende un elemento di cuscinetto radiale 17. I cuscinetti 9, 11 possono comprendere qualunque tipo di elementi di cuscinetto idonei a operare nelle condizioni richieste. Ad esempio i cuscinetti 9, 11 possono comprendere cuscinetti a fluido, quali cuscinetti idrodinamici o idrostatici, o cuscinetti combinati idrostatici/idrodinamici. In alcune forme di realizzazione, i cuscinetti 9, 11 possono comprendere cuscinetti di rotolamento. In altre forme di realizzazione, i cuscinetti 9,11 possono comprendere cuscinetti magnetici, quali cuscinetti magnetici attivi. Non si esclude una combinazione di differenti cuscinetti, ad esempio cuscinetti magnetici e cuscinetti a fluido, o cuscinetti magnetici e cuscinetti di rotolamento, o ancora cuscinetti di rotolamento e cuscinetti a fluido in combinazione.

[0025] Disposizioni di tenuta 19, 21 possono essere posizionate in corrispondenza di una o di entrambe le estremità dell'albero 5. Le disposizioni di tenuta possono essere poste all'esterno o preferibilmente all'interno dei rispettivi cuscinetti 9 e 11. Nella disposizione da ultimo citata, come mostrato in Fig.1, le disposizioni di tenuta impediscono o riducono trafilamenti di fluido di lavoro verso l'ambiente e proteggono anche i cuscinetti 9, 11 dal fluido di lavoro. In alcune forme di realizzazione, le disposizioni di tenuta 19, 21 possono comprendere tenute a gas secco.

[0026] In alcune forme di realizzazione, il turboespantore 1 comprende una prima girante radiale 31 e una seconda girante radiale 33. L'albero 5, la prima girante radiale 31 e la seconda girante radiale 33 formano parte di un rotore del turboespantore 1. La prima girante radiale 31 e la seconda girante radiale 33 sono montate sull'albero 5 in una posizione intermedia fra i cuscinetti 9 e 11. La prima girante radiale 31, la seconda girante radiale 33 sono pertanto montate in una configurazione tra cuscinetti.

[0027] La prima girante radiale 31 e la seconda girante radiale 33 possono essere con contro-disco (chiuse) o senza contro-disco (aperte), indipendentemente l'una dall'altra. Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.1 entrambe la prima girante radiale 31 e la seconda girante radiale 33 sono prive di contro-disco e cooperano con rispettivi diaframmi stazionari 32 e 34 disposti nella cassa 3.

[0028] La prima girante radiale 31 e la seconda girante radiale 33 sono giranti centripete, cioè giranti radiali orientate verso l'interno, attraverso cui il fluido di lavoro fluisce almeno parzialmente in una direzione radiale da una sezione di ingresso ad una sezione di scarico, in cui la sezione di scarico è più vicina all'asse di rotazione A-A dell'albero e la sezione di ingresso è più lontana dell'asse di rotazione A-A dell'albero.

[0029] La prima girante radiale 31 comprende un disco 35 e la seconda girante radiale 33 comprende un disco 37. Il disco 35 ha pale 39 e il disco 37 ha pale 41. Le pale 39 e 41 sporgono da una superficie frontale del rispettivo disco 35 e 37. Ciascuna pala 39 si estende da un bordo di ingresso 39L a un bordo di uscita 39T. Analogamente, ciascuna pala 41 si estende da un bordo di ingresso 41L a un bordo di uscita 41T.

[0030] In alcune forme di realizzazione, le giranti radiali 31 e 33 sono disposte in una configurazione cosiddetta contrapposta schiena a schiena, o fronte a fronte. Nel senso qui utilizzato una configurazione contrapposta schiena a schiena può essere intesa come una configurazione in cui le superfici frontali palettate dei dischi di girante sono rivolte in versi opposti, cioè l'una in allontanamento dall'altra. Nel senso qui inteso, una configurazione fronte a fronte può essere intesa come una configurazione in cui le superfici frontali palettate dei dischi di girante sono rivolte l'una verso l'altra. Nella forma di realizzazione della Fig.1, le giranti radiali 31 e 33 sono disposte in una configurazione fronte a fronte. Ciò può dar luogo a una migliorata accessibilità a varie apparecchiature del turboespantore. Sia la configurazione schiena a schiena, sia la configurazione fronte a fronte possono essere vantaggiose in termini di bilanciamento del carico assiale.

[0031] In altre forme di realizzazione, non mostrate, le giranti radiali possono essere disposte in una configurazione in linea, cioè con la superficie frontale palettata di una girante orientata verso la superficie tergale dell'altra girante.

[0032] Ciascuna coppia di pale 39 adiacenti definiscono un canale di flusso 43 della prima girante radiale 31, estendentesi da un lato di ingresso in corrispondenza dei bordi di ingresso 39L fino ad un lato di uscita in corrispondenza dei bordi di uscita 39T. Ciascuna coppia di pale adiacenti 41 definisce un canale di flusso 45 della seconda girante radiale 31, che si estende da un lato di ingresso in corrispondenza dei bordi di ingresso 41L ad un lato di uscita in corrispondenza di bordi uscita 41T.

[0033] I lati di ingresso di entrambe le giranti radiali 31, 33 sono disposti a una distanza dall'asse di rotazione A-A dell'albero 5, che è maggiore rispetto alla distanza dei lati di uscita. Nella forma di realizzazione della Fig.1 la direzione dei canali di flusso 43, 45 è inizialmente radiale. Nella porzione più a valle di essi, cioè in prossimità dei dati di uscita, ciascun canale di flusso 43, 45 si incurva in una direzione approssimativamente assiale. Pertanto il flusso del fluido di lavoro si muove dai lati di ingresso ai lati di uscita dei rispetti canali di flusso 43, 45 in una direzione radiale verso l'interno, cioè in una direzione centripeta, nella prima parte dei canali di flusso e successivamente in una direzione sostanzialmente assiale. Come notato in precedenza, l'effettiva velocità del flusso ha generalmente anche una componente tangenziale orientata nella direzione tangenziale, poiché il fluido di lavoro si muove insieme alla girante 31, 33 e quindi ruota anche attorno all'asse A-A.

[0034] Le freccia F1 e F2 rappresentano schematicamente le componenti radiali e assiali di velocità del flusso di fluido di lavoro, rispettivamente al lato di ingresso e al lato di uscita, della prima girante 31. Le freccia F3 e F4 schematicamente rappresentano le componenti di velocità radiale e di velocità assiale del fluido di lavoro, rispettivamente al lato di ingresso e al lato di uscita, della seconda girante 33.

[0035] In alcune forme di realizzazione, una prima serie di ugelli di guida mobili o variabili 51 sono disposti anularmente attorno alla prima girante radiale 31, in corrispondenza del lato di ingresso di essa. Ciascun ugello di guida variabile 51 è montato oscillante attorno a un rispettivo asse di oscillazione X-X, che può essere parallelo all'asse di rotazione A-A dell'albero 5. Il movimento oscillazione degli ugelli di guida variabile 51, può essere comandato da dispositivi di attuazione 53 noti nel settore, che possono essere configurati per controllare l'inclinazione variabile di tutti gli ugelli di guida 51 simultaneamente.

[0036] Analogamente, in alcune forme di realizzazione, una seconda serie di ugelli di guida mobili o variabili 55 sono disposti anularmente attorno alla seconda girante radiale 33, in corrispondenza del suo lato di ingresso. Ciascun ugello di guida variabile 55 è oscillante attorno a un rispettivo asse di oscillazione Y-Y, che può essere parallelo all'asse di rotazione A-A dell'albero 5. Il movimento di oscillazione degli ugelli di guida variabili 55 può essere controllato da dispositivi di attuazione 57 simili ai dispositivi 53.

[0037] In altre forme di realizzazione, gli ugelli di guida 51, o gli ugelli di guida 55, o entrambi, possono essere stazionari, cioè possono avere una geometria fissa anziché variabile.

[0038] La Fig.1 illustra un primo diffusore 61 disposto a valle del lato di scarico della prima girante radiale 31. Il primo diffusore 61 può essere coassiale all'albero 5 in una posizione stazionaria all'interno della cassa 3. Il primo diffusore 61 può essere un diffusore palettato, comprendente pale stazionarie 63 disposte in un percorso di flusso anulare che si estende da una estremità di ingresso a un’estremità di uscita del primo diffusore 61. Il primo diffusore 61 può svilupparsi in una direzione orientata radialmente verso l'esterno, cosicché il flusso di fluido di lavoro che fluisce attraverso di esso avrà una componente di velocità radiale all'estremità di scarico del primo diffusore 61. Il primo diffusore 61 può, pertanto, essere configurato per deviare un flusso assiale all'ingresso di esso in un flusso radiale o in un flusso misto assialeradiale all'uscita di esso. Un flusso misto assiale-radiale può essere inteso come un flusso che ha un componente di velocità assiale e un componente di velocità radiale. Il primo diffusore 61 può sboccare in un primo plenum di scarico 65 disposto nella cassa 3.

[0039] La Fig.1 illustra inoltre un secondo diffusore 71 disposto a valle del lato di scarico della seconda girante radiale 33. Il secondo diffusore 71 può essere montato coassialmente all'albero 5 in una posizione stazionaria all'interno della cassa 3. Il secondo diffusore 71 può essere un diffusore palettato, comprendente pale stazionarie 73 disposte in un percorso di flusso anulare che si estende da una estremità di ingresso ad una estremità di uscita del secondo diffusore 71. Il secondo diffusore 71 può svilupparsi in una direzione orientata radialmente verso l'esterno, cosicché il flusso di fluido di lavoro che fluisce attraverso di esso avrà un componente di velocità radiale all'estremità di scarico del diffusore. Analogamente al primo diffusore 61, il secondo diffusore 71 può essere configurato per deviare un flusso assiale al suo ingresso in un flusso radiale o in un flusso misto assiale-radiale alla sua uscita. Il secondo diffusore 71 può sboccare in un secondo plenum di scarico 75 disposto nella cassa 3.

[0040] La prima girante radiale 31, il rispettivo diaframma stazionario 32, il primo diffusore 61 e il primo plenum di scarico 65 formano parte di un primo stadio di turboespantore 78. La seconda girante radiale 33, il rispettivo diaframma stazionario 34, il secondo diffusore 71 e il secondo plenum di scarico 75 formano parte di un secondo stadio di turboespantore 80.

[0041] Il primo plenum di scarico 65 e il secondo plenum di scarico 75 possono essere separati l'uno dall'altro da una parete di separazione 77 e da un disco 79 montato sull'albero 5 e ruotante con esso. Una disposizione di tenuta 81 può essere compresa fra la parete di separazione 77 e il disco 79, cosicché trafilamenti dal primo plenum di scarico 65 verso il secondo plenum di scarico 75 possono essere ridotti o evitati.

[0042] Il primo plenum di scarico 65 può essere in accoppiamento di fluido con una prima luce di scarico 83. Il secondo plenum di scarico 75 può essere in accoppiamento di fluido con una seconda luce di scarico 85.

[0043] Fluido di lavoro può essere alimentato al primo stadio di turboespantore 78 attraverso una prima luce di ingresso 91, che è in accoppiamento di fluido con un primo plenum di ingresso 93. Fluido di lavoro può essere alimentato al secondo stadio di turboespantore 80 attraverso una seconda luce di ingresso 95, che è in accoppiamento di fluido con un secondo plenum di ingresso 97.

[0044] In Fig.1 sono mostrati una prima flangia di ingresso 101 e un primo condotto di ingresso 102, attraverso i quali il fluido di lavoro viene alimentato al primo stadio di turboespantore 78. In Fig.1 sono, inoltre, mostrati una seconda flangia di ingresso 103 e un secondo condotto di ingresso 104, per alimentare fluido di lavoro al secondo stadio di turboespantore 80.

[0045] Una prima flangia di scarico 105 e un primo condotto di scarico 106 sono in accoppiamento di fluido con il primo plenum di scarico 65 per scaricare fluido di lavoro dal primo stadio di turboespantore 78. Una seconda flangia di scarico 107 e un secondo condotto di scarico 108 sono in accoppiamento di fluido con il secondo plenum di scarico 75 per scaricare fluido di lavoro dal secondo stadio di turboespantore 80.

[0046] Il funzionamento del turboespantore 1 descritto sin qui verrà illustrato in maggior dettaglio qui di seguito, facendo riferimento alla Fig.2, continuando a riferirsi alla Fig.1.

[0047] La Fig.2 illustra un sistema 120 esemplificativo, che può comprendere uno o più turboespantori 1. Il sistema 120 può comprendere un primo processo 122, da cui fluido di lavoro caldo e compresso può essere alimentato attraverso un primo condotto di alimentazione 123 al turboespantore 1. Il primo condotto di alimentazione 123 può essere in accoppiamento di fluido con il primo condotto di ingresso 102 del turboespantore 1. Un condotto di ritorno 125 riporta fluido di lavoro esausto dal turboespantore 1 al processo 122. Il condotto di ritorno può essere in accoppiamento di fluido con il secondo ugello di scarico 108 del turboespantore 1.

[0048] Un processo intermedio 127 può essere in accoppiamento di fluido con il primo condotto di scarico 106 del turboespantore 1, tramite un condotto di ritorno intermedio 129. Un condotto di alimentazione intermedio 131 può porre in comunicazione di fluido il processo intermedio 127 con il secondo condotto di ingresso 104 del turboespantore 1.

[0049] Il processo 122 può essere un qualunque processo, ad esempio in cui il fluido di lavoro può essere sottoposto a trasformazioni termodinamiche. Il processo intermedio 127 può, inoltre, essere qualunque processo in cui il fluido di lavoro subisce ulteriori trasformazioni termodinamiche o altre azioni termodinamiche. Ad esempio, il processo 122 può comprendere una disposizione di compressione e un riscaldatore, per comprimere il fluido di lavoro usando potenza meccanica disponibile e riscaldare il fluido di lavoro compresso usando calore da una sorgente di calore disponibile. Il processo intermedio 127 può comprendere un riscaldatore, in cui il fluido di lavoro viene riscaldato. Il processo intermedio 127 e il processo 122 possono essere parte dello stesso impianto o sistema. Ad esempio, essi possono far parte di un sistema CAES.

[0050] Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.2, il turboespantore 1 è meccanicamente accoppiato attraverso una linea d'asse 133 ad un carico 135, che comprende un generatore elettrico, ad esempio. Il generatore elettrico può essere elettricamente accoppiato a una rete di distribuzione elettrica G, ad esempio attraverso un variatore di frequenza 139.

[0051] Il sistema 120 funziona come segue. Fluido di lavoro caldo e compresso viene alimentato dal processo 122 al primo stadio di turboespantore 78, dove il fluido di lavoro viene parzialmente espanso, producendo potenza meccanica, che è disponibile sull'albero 5 e può essere usata per azionare il carico 135. Fluido di lavoro parzialmente espanso viene scaricato dal primo stadio di turboespantore 78 attraverso la prima luce di scarico 83 e attraverso il primo condotto di scarico 106 e viene riportato attraverso il condotto di scarico intermedio 129 al processo intermedio 127. Il fluido di lavoro parzialmente espanso può essere riscaldato o sottoposto ad altre azioni termodinamiche nel processo intermedio 127, prima di essere nuovamente riportato, attraverso il condotto di alimentazione intermedio 131, al secondo stadio di turboespantore 80, dove il fluido di lavoro si espande ulteriormente. La ulteriore espansione genera potenza meccanica addizionale, che è ancora disponibile sull'albero 5 e può essere usata per azionare il carico 135. Fluido di lavoro esausto dal secondo stadio di turboespantore 80 viene riportato attraverso il condotto di ritorno 125 al processo 122.

[0052] La Fig.3 mostra un diagramma di flusso che riassume il metodo di funzionamento del turboespantore per generare potenza meccanica.

[0053] Mentre in Fig.2 è mostrato un singolo turboespantore 1 in combinazione con un singolo carico 135, più di un carico possono essere accoppiati a uno o più turboespantori 1. In altre forme di realizzazione più di un turboespantore possono essere meccanicamente accoppiati a un carico.

[0054] Mentre caratteristiche inventive e vantaggi dell'invenzione sono stati descritti in termini di differenti specifiche forme di realizzazione, sarà chiaro agli esperti del ramo che sono possibili molti cambiamenti, modifiche e omissioni, senza allontanarsi dallo spirito e dall’ambito delle rivendicazioni accluse. Inoltre, se qui non diversamente specificato, l'ordine o sequenza di qualunque fase di processo o metodo può essere modificata o alterata secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

UN TURBOESPANTORE RADIALE MULTISTADIO RIVENDICAZIONI 1. Un turboespantore multistadio (1), comprendente una cassa (3) e un albero (5) disposto per ruotare nella cassa (3) e supportato almeno da un primo cuscinetto (9) a una prima porzione di estremità di albero (5A) e da un secondo cuscinetto (11) a una seconda porzione di estremità di albero (5B); in cui almeno una prima girante radiale (31) e una seconda girante radiale (33) sono disposte sull'albero (5) fra il primo cuscinetto (9) e il secondo cuscinetto (11) per ruotare con esso attorno ad un asse di rotazione (A-A).
2. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 1, comprendente inoltre: una prima luce di ingresso (91), atta ad alimentare fluido di lavoro pressurizzato alla prima girante radiale (31); una prima porta di scarico (83), atta a scaricare un flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso dalla cassa (3); una seconda luce di ingresso (95) atta ad alimentare un flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso alla seconda girante radiale (33); una seconda luce di scarico (85), atta a scaricare un flusso di fluido di lavoro esausto dalla cassa (3).
3. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 1 o 2, in cui ciascuna di dette prima girante radiale (31) e seconda girante radiale (33) sono atte per un flusso del fluido di lavoro radiale diretto verso l’interno.
4. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 3, in cui la prima girante radiale (31) e la seconda girante radiale (33) sono provviste ciascuna di un disco di girante (35; 37) avente una pluralità di pale di girante (39; 41), che si estendono da un rispettivo bordo di ingresso (39L; 41L) a un rispettivo bordo di uscita (39T; 41T) e definiscono canali di flusso (43; 45) fra pale di girante adiacenti; in cui ciascun canale di flusso (43; 45) ha un rispettivo lato di ingresso del flusso disposto in corrispondenza dei bordi di ingresso (39L; 2541L) delle pale di girante (39; 41) a una prima distanza rispetto all'asse di rotazione (A-A), e un rispettivo lato di uscita del flusso disposto in corrispondenza dei bordi di uscita (39T; 41T) delle pale di girante (39; 41) a una seconda distanza dall'asse di rotazione (A-A), la prima distanza essendo maggiore della seconda distanza.
5. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 4, in cui l'ingresso di flusso della prima girante radiale (31) e l'ingresso di flusso della seconda girante radiale (33) sono orientati in direzione radiale.
6. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 4 o 5, in cui l'uscita di flusso della prima girante radiale (31) e l'uscita di flusso della seconda girante radiale (33) sono orientati in direzione assiale.
7. Il turboespantore multistadio (1) di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una di dette prima girante radiale (31) e seconda girante radiale (33) ha ugelli di guida variabili (51; 55).
8. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 7, in cui entrambe la prima girante radiale (31) e la seconda girante radiale (33) hanno ugelli di guida variabili (51; 55).
9. Il turboespantore multistadio (1) di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui un diffusore (61; 71) è disposto a valle di almeno una e preferibilmente di entrambe detta prima girante radiale (31) e detta seconda girante radiale (33).
10. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 9, in cui pale stazionarie (63; 73) sono disposte in almeno uno e preferibilmente in entrambi detti diffusori (61; 71).
11. Il turboespantore multistadio (1) della rivendicazione 8 o 9, in cui ciascun diffusore (61; 71) è configurato per deviare un flusso assiale che esce dalla rispettiva girante radiale (31; 33) in un flusso misto assiale-radiale o in un flusso radiale.
12. Il turboespantore multistadio (1) di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima girante radiale (31) e la seconda girante radiale (33) sono disposte contrapposte schiena a schiena o fronte a fronte l'una rispetto all'altra.
13. Un metodo per generare potenza meccanica espandendo un fluido di lavoro, comprendente le seguenti fasi: alimentare un flusso di fluido di lavoro caldo compresso ad una prima girante radiale (31) montata su un albero (5) supportato per ruotare in una cassa (3) da almeno un primo cuscinetto (9) e da un secondo cuscinetto (11), la prima girante radiale (31) essendo montata fra il primo cuscinetto (9) e il secondo cuscinetto (11); espandere parzialmente il flusso di fluido di lavoro caldo compresso nella prima girante radiale (31) e generare con esso potenza meccanica; scaricare un flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso dalla cassa (3); alimentare il flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso in una seconda girante radiale (33) montata sull'albero (5), fra il primo cuscinetto (9) e il secondo cuscinetto (11); e espandere ulteriormente il flusso di fluido di lavoro parzialmente espanso nella seconda girante radiale (33) e generare con esso potenza meccanica.
14. Il metodo della rivendicazione 13, comprendente inoltre la fase di eseguire un'azione termodinamica sul fluido di lavoro parzialmente espanso dopo lo scarico dalla prima girante radiale (31) e prima dell'alimentazione alla seconda girante radiale (33).
15. Il metodo della rivendicazione 14, in cui la fase di eseguire un'azione termodinamica sul fluido di lavoro parzialmente espanso comprende la fase di riscaldare il fluido di lavoro parzialmente espanso.
16. Il metodo della rivendicazione 14 o 15, comprendente inoltre le fasi di: scaricare il fluido di lavoro parzialmente espanso dalla cassa (3) del turboespantore (1); alimentare il fluido di lavoro parzialmente espanso ad un processo intermedio (127); alimentare il fluido di lavoro parzialmente espanso dal processo intermedio (127) nella cassa (3).