IT201900000637A1

IT201900000637A1 - Una pompa con un sistema di lubrificazione dei cuscini

Info

Publication number: IT201900000637A1
Application number: IT102019000000637A
Authority: IT
Inventors: Francesco Cangioli; Matteo Berti; Alessandro Musacchio; Leonardo Tognarelli
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-07-15
Also published as: US11846285B2; WO2020148091A1; AU2020208558B2; AU2020208558A1; CA3125001C; CN113286947A; CA3125001A1; DK3911859T3; EP3911859A1; CN113286947B; US20220099089A1; BR112021013170A2; EP3911859B1

Description

UNA POMPA CON UN SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE DEI CUSCINI

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

[0001] La presente descrizione riguarda perfezionamenti alle pompe. Più specificamente, la descrizione concerne pompe rotodinamiche comprendenti una o più giranti disposte in una cassa, e comprendenti cuscini che supportano girevolmente le giranti nella cassa.

ARTE ANTERIORE

[0002] Pompe rotodinamiche sono utilizzate in una varietà di applicazioni per trasferire energia a un fluido di processo per mezzo di una o più giranti ruotanti.

[0003] Come noto agli esperti del ramo, pompe dinamiche o pompe rotodinamiche sono macchine in cui un fluido viene pressurizzato trasferendo energia cinetica, tipicamente da un elemento ruotante quale una girante, ad un fluido che viene elaborato attraverso la pompa.

[0004] Alcune pompe sono progettate per lavorare un fluido multifase, contenente una fase liquida e una fase gassosa. Alcune pompe comprendono motori elettrici incorporati, che ruotano ciascuna girante e che possono essere atti a controllare la velocità di rotazione di ciascuna girante indipendentemente da quella delle altre giranti della pompa, ad esempio allo scopo di adattare la velocità di rotazione all'effettivo rapporto gas/liquido in ciascuno stadio della pompa. Forme di realizzazione di pompe multifase con motori elettrici incorporati sono descritte ad esempio in US2017/0159665.

[0005] Le giranti delle pompe sono supportate su un albero stazionario per mezzo di cuscini, ad esempio cuscini in diamante policristallino (PCD), che sono forniti di tacchetti di supporto realizzati o comprendenti diamante sintetico. I cuscini richiedono una lubrificazione continua per ridurre l'attrito e rimuovere calore da essi. Sono previsti complessi circuiti di lubrificazione dei cuscini per circolare un lubrificante attraverso i cuscini delle giranti della pompa. E' necessaria una pompa esterna di lubrificante per circolare il fluido lubrificante nel circuito lubrificante e attraverso i cuscini. I circuiti di lubrificazione incrementano la complessità delle pompe rotodinamiche, aumentano il costo e le dimensioni delle pompe e possono ridurre la disponibilità delle pompe, poiché il circuito di lubrificazione e le rispettive pompe di lubrificazione sono soggetti a malfunzionamenti.

[0006] Esiste pertanto la necessità di fornire sistemi più semplici e meno costosi per lubrificare cuscini in una pompa, in particolare una pompa rotodinamica con motori elettrici incorporati per ruotare le giranti.

SOMMARIO

[0007] Secondo un aspetto della presente descrizione viene prevista una pompa rotodinamica, avente una cassa, al cui interno sono alloggiate una parte statorica e almeno una girante. La girante è supportata su un cuscino per ruotare nella cassa. Un percorso di un fluido di processo si estende attraverso la parte statorica e la girante della pompa. Viene inoltre previsto un percorso di lubrificazione del cuscino, per circolare un flusso di fluido attraverso il cuscino. Una piccola porzione del flusso di fluido di processo principale viene deviata dal percorso di fluido di processo verso il cuscino, per scopi di lubrificazione e/o refrigerazione del cuscino.

[0008] Viene prevista una pompa a vite per circolare il fluido attraverso il cuscino. La pompa a vite è formata da una superficie stazionaria integrale con la parte statorica della pompa rotodinamica, e una vite ruotante integrale con la girante della pompa rotodinamica e ruotante con essa. La superficie stazionaria e la vite ruotante sono disposte coassiali l'una all'altra e si affacciano l'una verso l'altra per formare la pompa a vite.

[0009] La pompa a vite è in accoppiamento di fluido con il percorso del fluido di processo e con il percorso di lubrificazione del cuscino, cosicché la rotazione della girante fa sì che una piccola portata del fluido di processo venga deviata dal percorso di fluido di processo principale verso il percorso di lubrificazione del cuscino, attraverso il cuscino e nuovamente nel percorso di fluido di processo principale.

[0010] In forme di realizzazione qui descritte, la pompa a vite può comprendere due o più sezioni di pompa a vite, ciascun comprendente una porzione della superficie stazionaria integrale con la parte statorica della pompa, e una porzione della vite ruotante, integrale con la girante e ruotante con essa. Ad esempio, una sezione di pompa a vite può essere disposta all'ingresso del percorso di lubrificazione del cuscino e un’ulteriore sezione di pompa a vite può essere disposta all'uscita del percorso di lubrificazione del cuscino. L'ingresso e l'uscita del percorso di lubrificazione del cuscino possono essere definiti da spazi liberi anulari fra la girante e la parte statorica della pompa. Lo spazio libero di ingresso può essere disposto a valle della girante e lo spazio libero di uscita può essere disposto a monte della girante. Nel senso qui utilizzato, i termini "a monte" e "a valle" sono riferiti alla direzione del flusso del fluido di processo.

[0011] Le sezioni della pompa a vite sostituiscono disposizioni di tenuta usuali lungo gli spazi liberi fra la girante ruotante e la parte statorica della pompa. La pompa a vite fornisce così un flusso di fluido controllato dallo spazio libero di ingresso, attraverso il percorso di lubrificazione del cuscino, e all'indietro nel percorso di fluido di processo principale attraverso lo spazio libero di uscita.

[0012] In alcune forme di realizzazione la superficie stazionaria può essere liscia, ad esempio può comprendere una superficie cilindrica liscia. In altre forme di realizzazione, la superficie stazionaria può essere formata da una vite stazionaria, cioè può costituire un profilo a vite. Nella stessa pompa una combinazione di superfici cilindriche stazionarie lisce e superfici stazionarie sagomate a vite possono essere combinate in differenti sezioni della stessa pompa a vite.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0013] Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui:

la Fig.1 illustra una vista in sezione di una pompa rotodinamica multistadio che comprende motori elettrici incorporati per azionare le giranti della pompa; la Fig.2 illustra un ingrandimento di una girante della pompa della Fig.1 e rispettivo circuito di lubrificazione per cuscino; e

la Fig.3 illustra un ingrandimento analogo alla Fig.2 in una seconda forma di realizzazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0014] E' stato sviluppato un nuovo e utile sistema di lubrificazione, per migliorare la lubrificazione e il raffreddamento di cuscini in una pompa rotodinamica. Il sistema di lubrificazione del cuscino utilizza lo stesso fluido elaborato dalla pompa rotodinamica per lubrificare e raffreddare il cuscino della girante. Questo può essere particolarmente utile nel caso di pompe per l'industria petrolifera, in cui il fluido di processo comprende una miscela di idrocarburi, e può comprendere una miscela multifase (liquido/gas) di idrocarburi. Il sistema di lubrificazione può comprendere un percorso di lubrificazione del cuscino per ciascun cuscino. Una piccola porzione del fluido di processo pompato dalla girante viene deviato dal flusso di fluido di processo e usato per lubrificare e refrigerare il cuscino. Il fluido diviato viene guidato lungo il percorso di lubrificazione e fluisce attraverso il cuscino, in particolare fra organi ruotanti e stazionari del cuscino, così riducendo l'attrito fra il componente stazionario e il componente ruotante e refrigerando il cuscino.

[0015] Il flusso laterale del fluido di processo usato per lubrificare il cuscino viene pompato attraverso il percorso di lubrificazione del cuscino da una pompa volumetrica formata dalla girante e da una parte statorica che coopera con la girante. Specificamente, in forme di realizzazione qui descritte, la pompa volumetrica è una pompa a vite formata da una o più viti disposte in spazi liberi fra la girante e la parte statorica della pompa.

[0016] Le pompe a vite promuovono il flusso di fluido di processo per scopi di raffreddamento e lubrificazione attraverso il o i cuscini e possono anche promuovere la rimozione di contaminanti solidi dalla cavità in cui sono alloggiati il o i cuscini.

[0017] Riferendosi ora alla Fig.1, la pompa rotodinamica 1 comprende una cassa 3 e un albero stazionario 5 disposto in essa. La pompa può comprendere una pluralità di stadi 7. Ciascuno stadio di pompa 7 comprende una rispettiva girante 9, che è supportata per ruotare su un albero 5 e coopera con una parte statorica 11, cioè con un componente stazionario non ruotante della pompa.

[0018] Riferendosi ora alla Fig.2, continuando a riferirsi alla Fig.1, ciascuna girante 9 comprende un corpo discoidale 12 e una pluralità di pale 13 distribuite anularmente attorno ad un asse di rotazione A-A. Un percorso di fluido di processo 15 si estende attraverso la porzione palettata di ciascuna girante 9. Potenza meccanica generata da motori elettrici incorporati, da descrivere, ruotano le giranti 9, che trasferiscono la potenza al fluido di processo lungo il percorso di fluido di processo 15 per aumentare la pressione del fluido.

[0019] Nella forma di realizzazione esemplificativa delle Figg.1 e 2, ciascuna girante 9 comprende un contro-disco 17. Ciascuna girante 9 è azionata in rotazione da un rispettivo motore elettrico 18 alloggiato nella cassa 3. Ciascun motore elettrico 18 comprende un rotore 19, disposto attorno al contro-disco 17 e ruotante con la girante 9, nonché uno statore 21 estendentesi attorno al rotore 19 e alloggiato fisso nella cassa 3.

[0020] Ciascuna girante 9 è supportata sull'albero stazionario 5 per mezzo di un rispettivo cuscino 31 ad esempio un cuscino PCD (Poly-Crystalline Diamond). Ciascun cuscino 31 è disposto lungo un percorso di lubrificazione 33 del cuscino, formato fra la parte statorica 11 e la girante 9. Più precisamente, ciascun percorso di lubrificazione 33 del cuscino si estende da un ingresso 33A ad un’uscita 33B. L'ingresso 33A e l'uscita 33B sono formati entrambi da un rispettivo spazio libero anulare che si estende attorno all'asse di rotazione A-A della girante 9. Ciascuno spazio libero anulare è formato fra la rispettiva girante 9 e la parte statorica 11.

[0021] In corrispondenza dello spazio libero di ingresso 33A e dello spazio libero di uscita 33B del percorso di lubrificazione 33 del cuscino è prevista una pompa a vite, che fa circolare una porzione di processo di fluido, deviata dal percorso di fluido di processo 15 a valle della girante 9, attraverso il percorso di lubrificazione 33 del cuscino, attraverso il cuscino 31 e nuovamente nel percorso di fluido di processo a monte della girante 9.

[0022] Più specificamente, nella forma di realizzazione delle Figg.1 e 2 la pompa a vite comprende una prima sezione di pompa a vite 41A nello spazio libero di ingresso 33A del percorso di lubrificazione 33 del cuscino, e una seconda sezione di pompa a vite 41B nello spazio libero di uscita 33B del percorso di lubrificazione 33 del cuscino. Le due sezioni di pompa a vite 41A, 41B sostituiscono disposizioni di tenuta usualmente utilizzate per fare tenuta tra il cuscino 31 della girante 9 e il percorso del fluido di processo. Più in particolare, nella forma di realizzazione delle Figg.1 e 2, la prima sezione di pompa a vite 41A comprende una vite ruotante 43A formata su una superficie sostanzialmente cilindrica della girante 9. La vite ruotante 43A si affaccia verso una vite stazionaria 45A, formata su una superficie sostanzialmente cilindrica della parte statorica 11. Analogamente, la seconda sezione di pompa a vite 41B comprende una vite ruotante 43B formata su una superficie sostanzialmente cilindrica della girante 9. La vite ruotante 43B si affaccia verso una vite stazionaria 45B formata su una superficie sostanzialmente cilindrica della parte statorica 11.

[0023] In questo modo, ciascuna sezione di pompa a vite comprende due viti affacciate l'una verso l'altra, una stazionaria e una ruotante. In altre forme di realizzazione attualmente meno preferite e meno efficienti, ciascuna sezione di pompa a vite può comprendere una singola vite, cooperante con una superficie cilindrica liscia, come verrà descritto in maggiore dettaglio più avanti.

[0024] Quando la girante ruota, le viti contrapposte 43A, 45A e 43B, 45B pompano in maniera volumetrica una porzione del fluido di processo dal percorso di fluido di processo 15 nel percorso di lubrificazione 33 del cuscino. Una piccola portata controllata del fluido di processo viene così deviata dal percorso di fluido di processo principale ed è usata per lubrificare il cuscino 31, che è disposto lungo il percorso di lubrificazione 33 del cuscino. Oltre ad un effetto lubrificante, il flusso di fluido di processo deviato può anche rimuovere dal cuscino 31 calore generato dall'attrito, refrigerando così il cuscino 31 e prevenendo un suo surriscaldamento. La forma delle viti contrapposte 43A, 45A e 43B, 45B è tale che soltanto una piccola e controllata quantità di fluido di processo viene deviata dal percorso principale è fatta fluire attraverso il rispettivo cuscino 31.

[0025] Poiché lo spazio libero di ingresso anulare 33A del percorso di lubrificazione 33 del cuscino è disposto a valle della girante 9 e lo spazio libero di uscita anulare 33B di detto percorso 33 è disposto a monte della girante 9, la differenza di pressione fra il lato a valle e il lato a monte della girante 9 è utilizzata, in combinazione con l'effetto di pompaggio della pompa a vite, per promuovere il flusso di fluido attraverso il percorso di lubrificazione 33 del cuscino e attraverso il cuscino 31. La differenza di pressione fra il lato a valle e il lato a monte della girante 9, in combinazione con l'azione di pressurizzazione della pompa a vite, superano le perdite di pressione del fluido di lubrificazione che fluisce lungo il percorso di lubrificazione 33 del cuscino e attraverso il meato tra la parte ruotante 31A e la parte stazionaria 31B del cuscino 31.

[0026] Prevedendo due sezioni di pompa a vite 41A, 41B in corrispondenza dello spazio libero di ingresso 33A e dello spazio libero di uscita 33B del percorso di lubrificazione 33 del cuscino si ottiene un flusso efficiente e bilanciato del fluido. In altre forme di realizzazione, attualmente meno preferite, la pompa a vite può comprendere una singola sezione di pompa, ad esempio soltanto la sezione di pompa a vite 41A all'ingresso o la sezione di pompa a vite 41B all'uscita. Usando due sezioni di pompa a vite ad entrambe le estremità del percorso di lubrificazione 33 del cuscino si ottiene un flusso di lubrificazione più bilanciato, in combinazione con un migliore controllo dell'effettiva portata attraverso lo spazio libero di ingresso 33A e attraverso lo spazio libero di uscita 33B.

[0027] In alcune forme di realizzazione può essere prevista una sezione di pompa a vite aggiuntiva 41C nel cuscino 31. Più specificamente, una vite ruotante 43C può essere prevista su una superficie cilindrica interna dell'organo ruotante 31B del cuscino 31 e una vite stazionaria 45C può essere prevista sulla superficie cilindrica esterna dell'organo stazionario 31B del cuscino 31. Le viti contrapposte 43C, 45C formano una terza sezione della pompa a vite e facilitano la circolazione del fluido di processo di lubrificazione che fluisce attraverso il cuscino 31. In altre forme di realizzazione, attualmente meno preferite, la superficie cilindrica esterna dell'organo stazionario 31B del cuscino può essere liscia anziché configurare un profilo a vite. Una disposizione a vite doppia, come mostrata nelle Figg.1 e 2, fornisce un pompaggio più efficiente del fluido di processo attraverso il percorso di lubrificazione 33 del cuscino.

[0028] Nelle forme di realizzazione delle Figg.1 e 2, ciascun cuscino 31 è un cuscino PCD comprensivo di tacchetti di cuscino radiali 51A sull'organo ruotante 31A e tacchetti di cuscino radiali 51B sull'organo stazionario 31B. Le viti 43C, 45C possono essere disposte fra i tacchetti di cuscino 51A, 51B. Ciascun cuscino 31 può inoltre comprendere tacchetti di cuscino assiali 53A sull'organo di cuscino ruotante 31A e tacchetti di cuscino assiali 53B sull'organo di cuscino stazionario o sulla parte statorica 11 della pompa 1.

[0029] Durante il funzionamento, le giranti 9 sono portate in rotazione dai rispettivi motori elettrici 18. Fluido di processo viene pompato lungo il percorso di fluido di processo 15 dalle giranti 9 a pressione crescente dalla girante più a monte verso la girante più a valle. Nello spazio libero 33A a valle di ciascuna girante 9 una piccola portata di fluido di processo viene deviata dal percorso principale per mezzo della sezione di pompa a vite 41A e pompata nel percorso di lubrificazione 33 del cuscino attraverso il cuscino 31 ed infine rimossa dal percorso di lubrificazione 33 del cuscino attraverso la sezione di pompa a vite 41B e riportata nel percorso di fluido di processo principale 15 attraverso lo spazio libero di uscita 33B. Se presente, la sezione di pompa a vite 41C promuove lo spostamento del fluido di processo di lubrificazione attraverso il cuscino 31.

[0030] Viene così ottenuto un nuovo sistema di lubrificazione del cuscino sostituendo le usuali tenute fra le giranti 9 e la parte statorica 11 della pompa 1, con sezioni di pompa a vite 41A, 41B. La pompa a vite disposta adiacentemente agli spazi liberi 33A, 33B, che pongono il percorso di lubrificazione 33 del cuscino in comunicazione di fluido con il percorso di fluido di processo principale 15, genera una portata di fluido di processo controllata attraverso il cuscino 31 per scopi di lubrificazione e refrigerazione. Vengono così ottenute una efficiente lubrificazione ed una efficiente refrigerazione dei cuscini 31, senza la necessità di speciali condotti di lubrificazione e pompe di lubrificazione esterne. Il lubrificante viene pompato attraverso i cuscini dalle giranti 9 della pompa rotodinamica 1, con l'ausilio delle pompe volumetriche formate dalle sezioni di pompa a vite in corrispondenza di ciascuno spazio libero 33A, 33B, o di almeno uno di detti spazi liberi.

[0031] La Fig.3 illustra un ingrandimento simile alla Fig.2 di un’ulteriore forma di realizzazione della pompa secondo la presente descrizione. Gli stessi elementi, parti o componenti già illustrati nelle Figg.1 e 2 e descritti sopra sono contrassegnati con gli stessi numeri di riferimento e non saranno descritti nuovamente. La principale differenza fra la forma di realizzazione della Fig.3 e la forma di realizzazione della Fig.2 è che ciascun profilo a vite 43A, 43B e 43C previsto sulla girante ruotante 9 si affaccia ad una contrapposta superficie cilindrica liscia, piuttosto che a un contrapposto profilo a vite. In questa forma di realizzazione, quindi, ciascuna sezione di pompa a vite è una sezione di pompa a vite singola.

[0032] In ulteriori forme di realizzazione, non mostrate, è prevista una combinazione delle forme di realizzazione delle Figg.2 e 3.

[0033] Mentre l'invenzione è stata descritta in termini di varie specifiche forme realizzative, sarà chiaro agli esperti del ramo che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire dallo spirito e dall'ambito delle rivendicazioni. Inoltre, se non diversamente indicato, l’ordine o sequenza di qualunque fase di processo o metodo può essere variata o ri-arrangiata secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

UNA POMPA CON UN SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE DEI CUSCINI RIVENDICAZIONI 1. Una pompa (1) comprendente: − una cassa (3); − una parte statorica (11) alloggiata stazionaria nella cassa (3); − almeno una girante (9) disposta per ruotare nella cassa (3); − un percorso di fluido di processo (15) che si estende attraverso la parte statorica (11) e la girante (9); − almeno un cuscino (31), atto a supportare girevolmente la girante (9) nella cassa (3); − un percorso di lubrificazione (33) del cuscino, atto a circolare un flusso di fluido attraverso il cuscino (31); − una vite ruotante (43A; 43B; 43C) integrale con la girante (9) e ruotante con essa quando la pompa è in funzione; in cui la vite ruotante (43A; 43B; 43C) è disposta coassialmente ad una superficie stazionaria della parte statorica (11) e forma una pompa a vite (41A; 41B; 41C) in accoppiamento di fluido con il percorso di fluido di processo (15) e con il percorso di lubrificazione (33) del cuscino, così che la rotazione della girante (9) promuove la circolazione di fluido di processo per mezzo di detta pompa a vite attraverso il percorso di lubrificazione (33) del cuscino.
2. La pompa (1) della rivendicazione 1, in cui la superficie stazionaria della parte statorica (11) è una superficie cilindrica liscia.
3. La pompa (1) della rivendicazione 1, in cui la superficie stazionaria della parte statorica forma una vite stazionaria (45A, 45B, 45C) coassiale alla vite ruotante (43A; 43B; 43C).
4. La pompa (1) della rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui il percorso di lubrificazione (33) del cuscino di estende da un ingresso (33A), in accoppiamento di fluido con il percorso di fluido di processo (15) a valle della girante (9), ad un’uscita (33B), in accoppiamento di fluido con il percorso di fluido di processo (15) a monte della girante (9).
5. La pompa (1) della rivendicazione 4, in cui l'ingresso (33A) del percorso di lubrificazione (33) del cuscino comprende uno spazio libero anulare che si estende attorno all'asse di rotazione (A-A) della girante (9).
6. La pompa (1) della rivendicazione 4 o 5, in cui l'uscita (33B) del percorso di lubrificazione (33) del cuscino comprende uno spazio libero anulare che si estende attorno all'asse di rotazione (A-A) della girante (9).
7. La pompa (1) della rivendicazione 4, 5 o 6, in cui la vite ruotante (43A; 43B; 43C) ha una prima porzione di vite ruotante (43A), in corrispondenza dell'ingresso (33A) del percorso di lubrificazione (33) del cuscino, e una seconda porzione di vite ruotante (43B), in corrispondenza dell'uscita (33B) del percorso di lubrificazione (33) del cuscino; e in cui la prima porzione di vite ruotante (43A) forma una prima sezione di pompa a vite (41A), e la seconda porzione di vite ruotante (43B) forma una seconda sezione di pompa a vite (41B).
8. La pompa (1) della rivendicazione 7, in cui la vite ruotante (43A; 43B; 43C) ha una terza porzione di vite ruotante (43C) intermedia fra l'ingresso (33A) e l'uscita (33B) del percorso di lubrificazione (33) del cuscino; e in cui la terza porzione di vite ruotante (43C) forma una terza sezione di pompa a vite (41C).
9. La pompa (1) della rivendicazione 8, in cui la terza porzione di vite ruotante (43C) è formata su detto cuscino (31).
10. La pompa (1) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il cuscino (31) comprende tacchetti di cuscino in diamante policristallino (51A; 51B; 53A; 53B).