IT201900001173A1

IT201900001173A1 - Turbina con un anello avvolgente attorno a pale rotoriche e metodo per limitare la perdita di fluido di lavoro in una turbina

Info

Publication number: IT201900001173A1
Application number: IT102019000001173A
Authority: IT
Inventors: Antonio Asti; Leonardo Tognarelli; Simone Marchetti; David Gentile; Enrico Federighi
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-07-25
Also published as: CA3126997A1; CA3126997C; US11976561B2; AU2020212251B2; US20220090510A1; EP3914808A1; KR20210114050A; AU2020212251A1; CN113423922B; CN113423922A; BR112021014658A2; WO2020151925A1; JP2022517824A; JP7285327B2; KR102587379B1

Description

Turbina con un anello avvolgente attorno a attorno a pale rotoriche e metodo per limitare la perdita di fluido di lavoro in una turbina

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

[0001] L'oggetto ivi divulgato si riferisce generalmente a turbine, e più particolarmente a turbine a gas e turbine a vapore, aventi una forma di realizzazione di un nuovo anello di protezione attorno alle loro pale rotoriche, e nuovi metodi di limitazione della perdita di fluido di lavoro in una turbina, in particolare attorno agli apici delle pale rotoriche all'interno della turbina.

STATO DELL'ARTE

[0002] Le turbine a gas sono macchine progettate per elaborare un fluido di lavoro, quale aria, che fluisce all'interno di un passaggio per un flusso durante il funzionamento della macchina; in particolare, una turbina a gas trasferisce energia cinetica dal fluido di lavoro che scorre a un rotore della macchina che ruota in tal modo il suo rotore.

[0003] L'efficienza della turbina può essere definita come il rapporto tra la potenza del rotore meccanico in uscita e la potenza del fluido di lavoro meccanico in entrata. L'efficienza della turbina è influenzata negativamente dalla perdita di fluido di lavoro che si verifica in corrispondenza degli apici delle pale rotoriche durante il funzionamento di lavoro della turbina.

[0004] La Figura 1 illustra una vista in sezione trasversale molto schematica di una turbina (a gas caldo) nota 100. La turbina 100 comprende un rotore 110 e uno statore 160. Il rotore 110 comprende un albero 111 e, ad esempio tre ruote 112 fissate all’albero 111; una prima ruota 112-1 ha una prima serie di pale 113-1 (corrispondente a una prima fase di espansione); una seconda ruota 112-2 ha una seconda serie di pale 113-2 (corrispondente a una seconda fase di espansione); una terza ruota 112-3 ha una terza serie di pale 113-3 (corrispondente a una terza o a un’ultima fase di espansione). Lo statore 160 comprende un alloggiamento con una copertura 161 e un passaggio anulare per flusso interno che indirizza il fluido di lavoro dall'entrata IL all'uscita OL. Il passaggio anulare per flusso è definito da una parete esterna dello statore 165 e da una parete interna dello statore 169, e dentro di essa sono fornite serie di pale rotoriche (nella Figura 1 vi sono, ad esempio, tre serie di pale rotoriche 113-1, 113-2 e 113-3) e serie di alette dello statore (nella Figura 1 vi sono, ad esempio, quattro serie di alette dello statore 167-1, 167-2, 167-3 e 167-4). La parete esterna dello statore 165 (che può essere realizzata di svariati anelli uniti insieme direttamente e/o indirettamente) è fissata alla copertura 161 attraverso, ad esempio, elementi anulari; nella Figura 1, vi sono, ad esempio, due elementi anulari 163-1 e 163-2. La parete interna dello statore 169 (che è realizzata da svariati anelli) è fissata alla parete esterna 165 attraverso, ad esempio, serie di alette; nella Figura 1, vi sono ad esempio quattro anelli della parete interna fissati rispettivamente alla parete esterna 165 attraverso, ad esempio, quattro serie di alette 167-1, 167-2, 167-3 e 167-4. Il rotore 160 è accoppiato in rotazione allo statore 110; a questo scopo, nella Figura 1, sono presenti due cuscinetti 190-1 e 190-2, ciascuno posizionato tra un anello e un albero della parete interna.

[0005] Tuttavia, nella turbina a gas caldo della Figura 1, si può verificare una perdita di fluido di lavoro nel gioco tra gli apici delle pale rotoriche 113-1, 113-2, 113-3 e la parete esterna dello statore 165; tuttavia, il gioco evita il contatto e dunque danneggia sia la parete esterna (che è stabile) sia le pale (che ruotano) durante il funzionamento della turbina. Scegliendo appropriatamente la dimensione del gioco, il contatto (e dunque i danni) può essere evitato in qualsiasi condizione di funzionamento.

[0006] Il brevetto statunitense n° 4,784,569 fornisce una soluzione per limitare la perdita in una turbina (a gas caldo). Secondo questa soluzione, un anello di protezione conformato in modo appropriato attorno alle estremità delle pale rotoriche fornisce una tenuta a gas soddisfacente sicché la maggior parte del fluido di lavoro passi tra le pale per un'estrazione efficiente di energia, e molto poco è perso oltrepassando la periferia delle pale. Tuttavia, in una turbina a gas caldo alla temperatura di lavoro, qualsiasi anello di protezione si deforma (ad esempio, si curva radialmente verso l'interno o verso l'esterno) e tale deformazione può causare un contatto dannoso tra l'anello di protezione e le pale. L'anello di protezione nel brevetto '569 è conformato sicché si deformi termicamente ma mantenga un gioco di corsa dalle pale. Pertanto, la perdita di fluido di lavoro può ancora verificarsi con questo tipo di anello di protezione.

[0007] Pertanto, sarebbe auspicabile creare una nuova turbina con bassa o anche nessuna perdita sulla periferia delle pale rotoriche durante il funzionamento di lavoro della turbina (dunque con giochi più piccoli di quanto erano possibili o contemplati da tecnologia antecedente e configurazioni (incluso il gioco zero) tra gli apici delle pale rotoriche e una superficie dell'anello di protezione) e con molto poco o nessun rischio di danno da contatto; in particolare, sarebbe auspicabile evitare il danno delle pale rotoriche a causa del contatto con lo statore: non solo A) a una condizione di funzionamento di lavoro quando le pale ruotano a velocità completa e sia il rotore sia lo statore sono caldi, ma anche B) all'avvio e all'arresto quando le pale ruotano lentamente e sia il rotore sia lo statore sono freddi, e C) durante l’accelerazione quando le pale aumentano la loro velocità, il rotore è caldo e lo statore è freddo e D) durante la decelerazione quando le pale riducono la loro velocità, il rotore è freddo e lo statore è caldo.

SOMMARIO

[0008] Secondo un aspetto, l'oggetto ivi divulgato si riferisce a una turbina comprendente un rotore, uno statore e un anello di protezione; il rotore comprende almeno una serie di pale rotoriche, l'anello di protezione si estende attorno alla serie di pale rotoriche, lo statore comprende un alloggiamento che si estende attorno all'anello di protezione; l'anello di protezione è accoppiato in modo mobile all’alloggiamento così da consentire all’alloggiamento di espandersi e di contrarsi termicamente, variando in tal modo una distanza radiale tra l’alloggiamento e l'anello di protezione durante il funzionamento della turbina.

[0009] Sebbene la presente invenzione sia stata concepita per essere applicata a turbine a gas (in particolare le sue prime fasi di espansione, più in particolare la sua prima fase di espansione), può essere ben applicata anche a turbine a vapore.

[0010] Secondo un altro aspetto, l'oggetto ivi divulgato si riferisce a un metodo di limitazione della perdita di fluido di lavoro tra un rotore e uno statore in una turbina durante il funzionamento di lavoro della turbina; la turbina comprendendo almeno una ruota rotorica con una serie di pale rotoriche e un alloggiamento dello statore che si estende attorno alla serie di pale rotoriche; l'alloggiamento dello statore ha dimensioni radiali dipendenti dalla sua temperatura; la ruota rotorica ha dimensioni radiali dipendenti dalla sua temperatura; il metodo comprendendo le fasi di: disposizione di un anello di protezione avente una dimensione radiale sostanzialmente indipendente dalla sua temperatura, posizionamento dell'anello di protezione concentricamente attorno alla ruota rotorica, tra la serie di pale rotoriche e l'alloggiamento dello statore, e accoppiamento meccanico dell'anello di protezione con l’alloggiamento sicché l'accoppiamento sia mantenuto indipendentemente da una temperatura dell'anello di protezione e da una temperatura dell’alloggiamento; a una temperatura di lavoro della turbina, le regioni degli apici delle lame del rotore di detta serie sono in stretta prossimità o a contatto con una regione interna dell'anello di protezione.

[0011] Come sarà spiegato meglio nel seguito, un alloggiamento dello statore è realizzato in uno o più materiali, tipicamente materiali metallici, che si espandono quando riscaldati e si contraggono quando raffreddati; dunque, tale alloggiamento dello statore aumenta le sue dimensioni, inclusa la sua dimensione radiale, quando riscaldato e riduce le sue dimensioni, inclusa la sua dimensione radiale, quando raffreddato. Al contrario, il nuovo anello di protezione è realizzato in un materiale (o più materiali) che si espande molto poco quando riscaldato e si contrae molto poco quando raffreddato - questo deriva, ad esempio, da un coefficiente di espansione termica inferiore a 10 μm/m/°C; dunque, un tale anello di protezione aumenta le sue dimensioni, inclusa la sua dimensione radiale, molto poco quando riscaldato e riduce le sue dimensioni, inclusa la sua dimensione radiale, molto poco quando raffreddato.

[0012] Occorre notare che, come sarà spiegato meglio nel seguito, quando le regioni degli apici delle pale rotoriche di detta serie sono in contatto con una regione interna dell'anello di protezione, si verifica solo una leggera abrasione senza alcun danno da contatto.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0013] Un apprezzamento più completo delle forme di realizzazione divulgate dell’invenzione e molti dei suoi vantaggi che ne derivano saranno ottenuti prontamente poiché lo stesso verrà meglio compreso facendo riferimento alla seguente descrizione dettagliata quando considerata congiuntamente ai disegni allegati, in cui:

la Figura 1 illustra una vista schematica in sezione longitudinale di una turbina dell'arte antecedente;

la Figura 2 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale di una prima forma di realizzazione di una turbina;

la Figura 3 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale di uno statore della turbina della Figura 2;

la Figura 4 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale di un rotore della turbina della Figura 2;

la Figura 5 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale di un anello di protezione della turbina della Figura 2;

la Figura 6 illustra una vista in sezione trasversale A-A di una copertura dello statore, un anello di protezione e alcune chiavi della turbina della Figura 1;

la Figura 7 illustra una vista in sezione trasversale A-A ingrandita parziale di una chiave della turbina della Figura 1 in una prima posizione/condizione;

la Figura 8 illustra una vista in sezione trasversale A-A ingrandita parziale di una chiave della turbina della Figura 1 in una seconda posizione/condizione;

la Figura 9 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale della turbina della Figura 1 in una prima condizione di funzionamento;

la Figura 10 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale della turbina della Figura 1 in una seconda condizione di funzionamento;

la Figura 11 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale della turbina della Figura 1 in una terza condizione di funzionamento;

la Figura 12 illustra una vista schematica in sezione longitudinale parziale di una seconda forma di realizzazione di una turbina; e

la Figura 13 mostra un diagramma di flusso di una forma di realizzazione di un metodo di limitazione della perdita in una turbina.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FORME DI REALIZZAZIONE

[0014] Quando una turbina (a gas caldo) è in funzione, i suoi componenti hanno e mantengono temperature di lavoro sostanzialmente costanti. Considerando questa condizione, gli inventori hanno scoperto che è possibile scegliere idealmente la forma e la dimensione dei componenti della turbina sicché non vi sia una perdita del fluido di lavoro sopra la periferia delle pale rotoriche durante il funzionamento della turbina. Infatti, è stato scoperto che, a differenza delle progettazioni antecedenti della turbina, il gioco tra gli apici delle pale dei rotore della turbina (vedere ad esempio le pale 113-1, 113-2 e 113-3 nella Figura 1) e un elemento dello statore, ad esempio un anello di protezione fisso, che si estende attorno alle pale rotoriche (vedasi, ad esempio, la parete esterna 165 nella Figura 1) è nullo. In questo modo, l'efficienza della turbina sarebbe massima in corrispondenza della condizione di lavoro, il che è auspicabile.

[0015] Durante l’accelerazione della turbina, le temperature dei componenti della turbina variano significativamente, ad esempio possono esserci aumenti di temperatura di 100-400 °C; per essere precisi. Occorre notare che ciascun componente della turbina è soggetto a un aumento diverso della temperatura e che gli aumenti della temperatura non si verificano contemporaneamente dappertutto; in generale, prima si riscalda il rotore della turbina e poi si riscalda lo statore della turbina.

[0016] Durante la decelerazione della turbina, si verificano riduzioni corrispondenti della temperatura, ma, in questo caso, prima si raffredda il rotore della turbina e poi si raffredda lo statore della turbina.

[0017] Quando la temperatura di un componente della turbina varia, le sue dimensioni variano; in particolare, un aumento della temperatura corrisponde ad aumenti delle dimensioni e una riduzione della temperatura corrisponde a riduzioni delle dimensioni.

[0018] Se è effettuata una scelta ideale summenzionata, all'avvio e all'arresto della turbina, il gioco tra gli apici delle pale rotoriche e l’elemento statore circostante è nullo o piccolo, il che è positivo.

[0019] Tuttavia, se è realizzata la scelta ideale summenzionata, le pale della turbina entreranno in contatto con l'elemento dello statore che si estende attorno a esse durante l’accelerazione della turbina come almeno una ruota della turbina insieme alle sue pale si espanderà termicamente prima dell'elemento dello statore circondante; di conseguenza, si verificheranno danni alle pale e all'elemento.

[0020] È stato compreso che la fuoriuscita di fluido di lavoro sopra la periferia delle pale rotoriche della turbina all'avvio, all’arresto, all’accelerazione e alla decelerazione ha un effetto trascurabile sull'efficienza complessiva della turbina poiché queste fasi di funzionamento durano relativamente poco rispetto alla fase di funzionamento del lavoro.

[0021] Come ivi divulgato, la nuova turbina è disposta per avere una perdita ridotta o nulla quando il rotore è caldo e pertanto l'efficienza elevata è ottenuta in particolare in una condizione di lavoro, ossia durante il lavoro della turbina. A questo scopo, un anello di protezione è posizionato attorno ad almeno una serie di pale rotoriche della turbina che forniscono una tenuta di fluido di lavoro soddisfacente quando il rotore è caldo. Tale anello di protezione non è accoppiato rigidamente allo statore della turbina; l'accoppiamento meccanico dell'anello di protezione con lo statore, in particolare con l’alloggiamento della turbina, è tale da consentire all’alloggiamento di espandersi termicamente (e contrarsi) senza influenzare la posizione dell'anello di protezione e pertanto la perdita in qualsiasi condizione di funzionamento della turbina. L'anello di protezione (vedasi, ad esempio, l'elemento 250 nella Figura 7) e l’alloggiamento della turbina (vedasi, ad esempio, l'elemento 261 nella Figura 7) possono essere radialmente accoppiati in modo scorrevole attraverso un insieme di chiavi (vedere, ad esempio, gli elementi 280-1, 280-2, 280-3, 280-4 nella Figura 7).

[0022] Preferibilmente, l'anello di protezione della nuova turbina ha dimensioni sostanzialmente indipendenti dalla sua temperatura. Inizialmente, quando il rotore è freddo, vi è una certa perdita nel gioco tra rotore e anello; in questa fase, lo statore è freddo e accoppiato con il rotore; vedasi, ad esempio, la Figura 9. Dopodiché, quando il rotore si riscalda, il rotore si espande, il gioco si riduce a zero o quasi a zero, e di conseguenza anche la perdita si riduce a zero o quasi a zero; in questa fase lo statore è ancora freddo e accoppiato con il rotore; vedasi, ad esempio, la Figura 10. Infine, il rotore è caldo ed espanso, e il gioco nonché la perdita rimangono a zero o quasi a zero; in questa fase, lo statore si riscalda e si espande ma rimane accoppiato al rotore; vedasi, ad esempio, la Figura 11.

[0023] Sebbene la presente invenzione sia stata concepita per essere applicata a turbine a gas (in particolare le sue prime fasi di espansione, più in particolare la sua prima fase di espansione), può essere ben applicata anche a turbine a vapore.

[0024] Si farà ora riferimento in dettaglio alle forme di realizzazione della divulgazione, uno o più esempi delle quali sono illustrati nei disegni. Ciascun esempio è fornito a titolo esplicativo della divulgazione, non limitativo della divulgazione. Infatti, risulterà evidente ai tecnici del ramo che è possibile apportare varie modifiche e varianti alla presente invenzione senza discostarsi dalla portata o dallo spirito della divulgazione. In tutta la descrizione i riferimenti a “una forma di realizzazione” o “una forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” indicano che una particolare caratteristica, struttura o peculiarità descritta congiuntamente a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell’argomento oggetto divulgato. Pertanto, l’occorrenza dell’espressione “in una forma di realizzazione” o “in una forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti della descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o peculiarità possono essere combinate in qualsiasi maniera adeguata in una o più forme di realizzazione.

[0025] Quando si introducono elementi delle varie forme di realizzazione della presente invenzione, gli articoli "uno" "un," "il" e "detto" intendono indicare che vi sono uno o più degli elementi. I termini "comprendente," "incluso," e "avente" sono destinati a essere inclusivi e indicano che possono esservi ulteriori elementi diversi dagli elementi elencati.

[0026] Facendo riferimento ora ai disegni, le figure dalla Figura 2 alla Figura 8 sono viste diverse di una stessa prima forma di realizzazione di una turbina (a gas caldo) configurata con un nuovo tipo di anello di protezione. In particolare, queste figure sono viste in un primo stadio di espansione della turbina. Tuttavia, la stessa soluzione o una soluzione simile può essere utilizzata in qualsiasi stadio di espansione di una turbina. Inoltre, la stessa soluzione o una soluzione simile può essere utilizzata in svariati stadi di espansione di una turbina.

[0027] La differenza tra questa prima forma di realizzazione e una turbina antecedente può essere compresa più facilmente confrontando la struttura nella prima fase di espansione (corrispondente alle pale 113-1) della turbina 100 nella Figura 1 con la struttura nella prima fase di espansione (corrispondente alle pale 213-1) della turbina 200 nella Figura 2; occorre notare che numeri di riferimento di elementi corrispondenti nella Figura 1 e nella Figura 2 differiscono di cento, così, ad esempio, l'elemento 212-1 nella Figura 2 corrisponde all'elemento 112-1 nella Figura 1.

[0028] una turbina 200 migliorata e inventiva della prima forma di realizzazione comprende un rotore 210, uno statore 260 e un anello di protezione 250; a differenza degli insegnamenti antecedenti, il nuovo anello di protezione 250 è accoppiato allo statore 260 ma ha una certa possibilità di movimento, dunque, in senso stretto, non può essere considerato un componente dello statore della turbina.

[0029] Il rotore 210 comprende almeno una serie di pale 213-1 che sono componenti di una ruota 212-1 fissata a un albero 211; tipicamente, il rotore comprende svariate ruote (con pale) fissate allo stesso albero. L'anello di protezione 250 si estende attorno alla serie delle pale 213-1; come sarà meglio spiegato in riferimento alla seconda forma di realizzazione, un anello di protezione può estendersi attorno a una o due o tre o più serie di pale. Lo statore 260 comprende un alloggiamento che si estende attorno all'anello di protezione 250; secondo la prima forma di realizzazione, una copertura 261 dell’alloggiamento si estende intorno all'anello di protezione 250.

[0030] Con riferimento alla Figura 2, la serie di pale rotoriche 213-1 può essere preceduta da una prima serie di alette dello statore 267-1 e/o può essere seguita da una seconda serie di alette dello statore 267-2. Un passaggio per un flusso è definito da una parete esterna dello statore 265 e da una parete interna dello statore 269, e all'interno di essa è fornita almeno la serie di pale rotoriche 213-1 ed, eventualmente, le serie di alette dello statore 267-1 e 267-2. Secondo la forma di realizzazione della Figura 2, le alette 267-1 sono fissate a un primo anello della parete esterna 265 e a un primo anello della parete interna 269, e le alette 267-2 sono fissate a un secondo anello della parete esterna 265 e a un secondo anello della parete interna 269; inoltre, il primo anello della parete esterna 265 è accoppiato con la copertura 261, e il primo anello della parete interna 269 è accoppiato con un cuscinetto 290-1. Secondo la forma di realizzazione della Figura 2, l'anello di protezione 250 è posizionato assialmente tra il primo anello della parete esterna 265 e il secondo anello della parete esterna 265.

[0031] La forma geometrica dell'anello di protezione 250 secondo la prima forma di realizzazione può essere meglio compresa dalla Figura 5; sono possibili forme e geometrie alternative, purché siano configurate per fornire una perdita zero o quasi zero del fluido di lavoro da attorno gli apici del rotore. L'anello di protezione 250 comprende una prima parte interna anulare 251 sotto forma di una guaina (ad esempio, una guaina cilindrica o conica) e una seconda parte esterna anulare 254 sotto forma di una flangia; la prima parte interna anulare 251 serve a fornire una tenuta di fluido di lavoro in corrispondenza degli apici (214 nella Figura 4) delle pale 213-1; la seconda parte esterna anulare 254 serve per accoppiarsi con la copertura 261, in particolare con la disposizione 270 (vedasi, ad esempio, la Figura 3) della copertura 261 che sarà descritta in seguito.

[0032] L’anello di protezione 250 (avente una forma anulare come si può vedere, ad esempio, nella Figura 6), è accoppiato in modo mobile con l’alloggiamento, in particolare con la copertura 261 (avente una forma anulare come si può vedere, ad esempio, nella Figura 6)), così da consentire all’alloggiamento di espandersi e di contrarsi termicamente durante il funzionamento della turbina (ossia, durante un intervallo di tempo dall'avvio fino all’arresto della turbina), variando in tal modo una distanza radiale tra di essi. Considerando, ad esempio, la Figura 6, la copertura 261 e l'anello di protezione 250 sono concentrici e radialmente distanziati; l'accoppiamento summenzionato è in grado di accogliere variazioni (ad esempio tra circa 0,5 e circa 5,0 mm) nella distanza radiale tra la copertura e l’anello, mantenendo al contempo la concentricità.

[0033] L'accoppiamento tra l'anello di protezione 250 e l'alloggiamento, in particolare la copertura 261, non consente sostanzialmente alcuna rotazione dell’anello 250 rispetto all’alloggiamento. Infatti, l'alloggiamento è configurato per fissare sostanzialmente una relativa posizione angolare tra l'anello di protezione e l'alloggiamento durante il funzionamento della turbina (ossia, durante un intervallo di tempo dall'avvio fino all'arresto); a questo proposito, segue la descrizione dettagliata della disposizione 270 della copertura 261.

[0034] L'accoppiamento tra l'anello di protezione dell'anello 250 e l'alloggiamento, in particolare la copertura 261, non consente sostanzialmente una traslazione assiale dell'anello di protezione 250 rispetto all’alloggiamento. Infatti, l'alloggiamento è configurato per fissare sostanzialmente una relativa posizione assiale tra l'anello di protezione e l'alloggiamento durante il funzionamento della turbina (ossia, durante un intervallo di tempo dall'avvio fino all'arresto); a questo proposito, segue la descrizione dettagliata della disposizione 270 della copertura 261.

[0035] L’anello di protezione 250 e l’alloggiamento, in particolare la copertura 261, possono essere considerati come divisi in parti, come mostrato, ad esempio, nella Figura 6; tale divisione può corrispondere a elementi uniti tra loro o, semplicemente e più tipicamente, diverse zone di un unico pezzo. Le parti 250-1, 250-2, 250-3, 250-4 dell'anello di protezione 250 sono accoppiate in modo scorrevole con le parti corrispondenti 261-1, 261-2, 261-3, 261-4 della copertura 261 dell’alloggiamento, consentendo in tal modo un cambiamento in una posizione radiale relativa.

[0036] Tale scorrimento radiale può derivare da una parte dell'anello di protezione avente una sporgenza orientata radialmente e una parte dell'alloggiamento avente una corrispondente rientranza orientata radialmente, la sporgenza essendo disposta per scorrere nella rientranza.

[0037] In alternativa, tale scorrimento radiale può derivare da una parte dell'alloggiamento avente una sporgenza orientata radialmente e una parte dell'anello di protezione avente una corrispondente rientranza orientata radialmente, la sporgenza essendo disposta per scorrere nella rientranza.

[0038] Ancora in alternativa e preferibilmente e come mostrato nelle figure (vedere in particolare la Figura 7 e la Figura 8), tale scorrimento radiale può derivare da almeno un dispositivo orientato radialmente, in particolare una chiave 280. Il dispositivo, in particolare la chiave 280, è disposto per scorrere radialmente in una rientranza 255 (vedere la Figura 7 e la Figura 8) dell'anello di protezione 250, in particolare nella seconda parte esterna anulare 254, e/o in una rientranza 262 (vedere la Figura 7 e la Figura 8) dell’alloggiamento, in particolare nella copertura 261.

[0039] Secondo quest'ultima possibile alternativa, si preferisce che il dispositivo, in particolare la chiave 280, sia fissato all’alloggiamento, in particolare alla copertura 261; nella forma di realizzazione della Figura 7 e della Figura 8, una chiave 280 è fissata alla copertura 261 attraverso una vite 282. In questo caso, il dispositivo, in particolare la chiave 280, è disposto per scorrere radialmente (ad esempio, da circa 1,0 a circa 5,0 mm) in una rientranza corrispondente 255 dell’anello di protezione 250; inoltre, vi è una certa possibilità di movimento circonferenziale (limitato) (ad esempio, da circa 0,1 a circa 0,2 mm) tra la chiave 280 e la rientranza 255; in riferimento alla Figura 7 e alla Figura 8, "radiale" indica verticale e "circonferenziale" indica orizzontale.

[0040] Se è scelto l'accoppiamento attraverso il dispositivo, tipicamente, sono utilizzati svariati dispositivi. In questo caso, come mostrato ad esempio nella Figura 6, la turbina comprende una pluralità di dispositivi orientati radialmente, in particolare una pluralità di chiavi; secondo la prima forma di realizzazione, sono utilizzate quattro chiavi 280-1, 280-2, 280-3, 280-4, ma è possibile utilizzarne un numero diverso da, ad esempio, tre a sedici. Ciascun dispositivo di questa pluralità è disposto per scorrere radialmente in una rientranza corrispondente dell'anello di protezione e/o in una rientranza corrispondente dell’alloggiamento.

[0041] Secondo la prima forma di realizzazione mostrata nelle figure dalla Figura 2 alla Figura 8, la flangia 254 dell'anello di protezione 250 è disposta per accoppiarsi con la disposizione 270 della copertura 261 dell’alloggiamento della turbina. La disposizione 270 include una prima flangia anulare 272, una nervatura anulare 274, una sede anulare 276 per ricevere una rondella anulare 277 (quando la disposizione è montata), una seconda flangia anulare 278; le rientranze radiali 262 sono formate in nervature anulari 274. La flangia 254 è disposta per essere posizionata tra la prima flangia 272 e la rondella 277 con una certa possibilità di movimento assiale (limitato) (ad esempio, da circa 0,2 a circa 0,5 mm); occorre notare che la flangia 254 dell'anello di protezione 250 è posizionata in posizione prima di posizionare in posizione la rondella 277.

[0042] L'anello di protezione 250 è realizzato preferibilmente in o contiene un materiale avente un basso CET (= coefficiente di espansione termica), in particolare un CET inferiore a circa 10 μm/m/°C, preferibilmente inferiore a circa 8 μm/m/°C, più preferibilmente inferiore a circa 6 μm/m/°C; in questo modo, le sue dimensioni, in particolare la sua dimensione radiale, sono sostanzialmente indipendenti dalla sua temperatura. L'anello di protezione 250 può essere realizzato in o contenere un materiale di lega metallica o un materiale ceramico.

[0043] Al contrario, il rotore 210 e/o lo statore 260 hanno dimensioni, in particolare la dimensione radiale, dipendenti dalla loro temperatura. Infatti, il rotore 210 e/o lo statore 260 sono tipicamente realizzati in uno o più materiali aventi un CET elevato, in particolare un CET superiore a circa 10 μm/m/°C, in particolare superiore a circa 12 μm/m/°C, ancor più in particolare superiore a circa 14 μm/m/°C. Il rotore 210 e lo statore 260 possono essere realizzati in uno o più materiali metallici.

[0044] Considerando la Figura 9 e la Figura 10 e la Figura 11, è possibile comprendere come i componenti della turbina possano variare la loro dimensione radiale durante il funzionamento della turbina 200; la Figura 9 corrisponde a una possibile condizione di avvio quando il rotore 210 è freddo e lo statore 260 è freddo, la Figura 10 corrisponde a una possibile condizione di accelerazione quando il rotore 210 è caldo (e espanso) e lo statore 260 è freddo, la Figura 11 corrisponde a una possibile condizione di lavoro quando il rotore 210 è caldo (e espanso) e lo statore 260 è caldo (e espanso); occorre notare che la forma, la dimensione e la posizione dell'anello di protezione 250 in queste tre figure sono le stesse. Nella Figura 9, vi è un interspazio ampio G1-1 tra le pale 213-1 e l’anello di protezione 250; nella figura 10, vi è un interspazio stretto G1-2 tra le pale 213-1 e l’anello di protezione 250; nella figura 11, vi è uno spazio vuoto stretto G1-2 (o addirittura nessun interspazio) tra le pale 213-1 e l’anello di protezione 250; l’interspazio G1 è ridotto a causa dell'espansione del rotore 210, in particolare della ruota 212-1. Conseguentemente, nella Figura 9, vi è un interspazio stretto G2-1 tra anello di protezione 250, in particolare la flangia 254, e la copertura 261, in particolare la nervatura 274, (vedasi anche la Figura 7); nella Figura 10, vi è un interspazio stretto G2-1 tra anello di protezione 250, in particolare la flangia 254, e la copertura 261, in particolare la nervatura 274, (vedasi anche la Figura 7); nella Figura 11, vi è un interspazio ampio G2-2 tra anello di protezione 250, in particolare la flangia 254, e la copertura 261, in particolare la nervatura 274, (vedasi anche la Figura 8); l’interspazio G2 è aumentato a causa dell'espansione dello statore 260, in particolare della copertura 261.

[0045] Come solo spiegato, le regioni degli apici 214 delle pale 213-1 possono essere in stretta prossimità di una regione interna 252 dell'anello di protezione 250 almeno in una condizione di funzionamento di lavoro della turbina 200.

[0046] In alternativa e vantaggiosamente, le regioni degli apici 214 delle pale 213-1 possono essere in contatto con una regione interna 252 dell'anello di protezione 250 almeno a una condizione di funzionamento di lavoro della turbina 200. Tuttavia, in questo caso, si preferisce che l'anello di protezione 250 comprenda uno strato 253 di materiale abradibile in corrispondenza della regione interna 252, e che le pale 213 comprendano uno strato 215 abrasivo (o almeno un dispositivo di materiale abrasivo) in corrispondenza delle loro regioni degli apici 214. In questo modo, quando lo strato 215 tocca lo strato 253, si verifica una leggera abrasione senza danni alle pale e/o all'anello di protezione. Inoltre, in questo caso, almeno in una condizione di funzionamento di lavoro della turbina 200, le regioni degli apici 214 delle pale 213-1 sono penetrate parzialmente nella regione interna 252 dell'anello di protezione 250, e, vantaggiosamente, non vi è una perdita di fluido di lavoro in particolare sopra la periferia delle pale almeno durante il funzionamento di lavoro della turbina.

[0047] La Figura 12 si riferisce a una seconda forma di realizzazione di una turbina 900 che è simile alla prima forma di realizzazione. Secondo questa forma di realizzazione, un anello di protezione 950 (che può essere realizzato in uno o più pezzi) si estende attorno a due serie di pale rotoriche 913-1 (parte di una prima ruota 912-1) e 913-2 (parte di una seconda ruota 912-2); in alternativa, l'anello di protezione può estendersi intorno a tre o più serie di pale rotoriche. L'anello di protezione 950 è accoppiato, ad esempio, a una disposizione 970 di una copertura 961 di un alloggiamento dello statore della turbina 900 attraverso una flangia 954. Una prima parte 951-1 (sotto forma di una guaina cilindrica o conica) dell’anello di protezione 950 si estende attorno a una prima serie di pale rotoriche 913-1 mentre una seconda parte 951-2 (sotto forma di una guaina cilindrica o conica) dell'anello di protezione 950 si estende attorno a una seconda serie di pale rotoriche 913-2.

[0048] Vantaggiosamente, una serie di alette 967-2 è inserita in un anello di protezione 950, in particolare in una terza parte 953 (sotto forma di una guaina cilindrica o conica) dell'anello di protezione 950. Le alette 967-2 possono essere considerate alette dello statore.

[0049] Sebbene la presente invenzione sia stata concepita per essere applicata a turbine a gas (in particolare le sue prime fasi di espansione, più in particolare la sua prima fase di espansione), può essere ben applicata anche a turbine a vapore.

[0050] Come risulta evidente dalla descrizione di cui sopra, la prima forma di realizzazione, la seconda forma di realizzazione e altre turbine simili implementano un metodo di limitazione della perdita tra un rotore e uno statore in una turbina almeno durante il suo funzionamento di lavoro.

[0051] La Figura 13 illustra un diagramma di flusso 1300 di una forma di realizzazione di un metodo per limitare la perdita di fluido di lavoro da attorno agli apici delle pale rotoriche, almeno durante il funzionamento di una turbina. Il metodo comincia con una fase di inizio 1310 e una fase terminale 1390. Questa forma di realizzazione presuppone che la turbina comprenda almeno una ruota rotorica con una serie di pale rotoriche e un alloggiamento dello statore che si estende attorno alla serie di pale rotoriche; inoltre, l'alloggiamento dello statore ha una dimensione radiale dipendente dalla sua temperatura, e la ruota rotorica ha una dimensione radiale dipendente dalla sua temperatura.

[0052] Secondo questa forma di realizzazione, il metodo comprende le fasi di:

- (fase 1320) disposizione di un anello di protezione avente una dimensione radiale sostanzialmente indipendente dalla sua temperatura,

- (fase 1350) posizionamento dell'anello di protezione concentricamente attorno alla ruota rotorica, tra la serie di pale rotoriche e l'alloggiamento dello statore, e

- (fase 1360) accoppiamento meccanico dell'anello di protezione con l’alloggiamento sicché l'accoppiamento sia mantenuto indipendentemente da una temperatura dell'anello di protezione e da una temperatura dell’alloggiamento, in particolare senza danno all'anello di protezione e/o all'alloggiamento;

secondo questo metodo, almeno a una temperatura di lavoro della turbina, le regioni degli apici delle pale sono in stretta prossimità (ad esempio, da circa 0,1 a circa 1,0 mm) a o in contatto con una regione interna dell'anello di protezione.

[0053] Tipicamente, il summenzionato accoppiamento meccanico consente un movimento radiale tra l'anello di protezione e l'alloggiamento.

[0054] L'accoppiamento meccanico tra l'anello di protezione e l'alloggiamento è realizzato vantaggiosamente attraverso una pluralità di chiavi.

[0055] Secondo questa forma di realizzazione, il metodo può comprendere inoltre le fasi di:

- (fase 1330) disposizione di uno strato di materiale abradibile in corrispondenza di una regione interna dell'anello di protezione, e - (fase 1340) disposizione di strati di abrasione o materiale o almeno un dispositivo di materiale abrasivo in corrispondenza delle regioni degli apici delle pale;

in questo caso, nel presente documento almeno a una temperatura di lavoro della turbina le regioni degli apici o dei dispositivi di abrasione sono penetrati parzialmente nella regione interna dell'anello di protezione attraverso l'abrasione dello strato abradibile dal materiale abrasivo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Turbina (200) comprendente un rotore (210), uno statore (260) e un anello di protezione (250); in cui il rotore (210) comprende almeno una serie di pale rotoriche (213-1), in cui l'anello di protezione (250) si estende attorno alla serie di pale rotoriche (213-1), in cui lo statore (260) comprende un alloggiamento (261) che si estende attorno all'anello di protezione (250), e in cui l'anello di protezione (250) è accoppiato in modo mobile all’alloggiamento (261) in modo da consentire all’alloggiamento (261) di espandersi e di contrarsi termicamente per variare una distanza radiale tra l’alloggiamento (261) e l'anello di protezione (250) durante il funzionamento della turbina (200).
2. Turbina (200) della rivendicazione 1, in cui l’alloggiamento (261) è configurato (270) per fissare sostanzialmente una relativa posizione angolare tra l'anello di protezione (250) e l’alloggiamento (261) durante il funzionamento della turbina (200).
3. Turbina (200) della rivendicazione 1 o 2, in cui l’alloggiamento (261) è configurato (270) per fissare sostanzialmente una relativa posizione assiale tra l'anello di protezione (250) e l’alloggiamento (261) durante il funzionamento della turbina (200).
4. Turbina (200) della rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui una parte (250-1, 250-2, 250-3, 250-4) dell'anello di protezione (250) è accoppiata in modo scorrevole a una parte (261-1, 261-2, 261-3, 261-4) dell’alloggiamento (261), consentendo in tal modo un cambiamento in una posizione radiale relativa.
5. Turbina (200) della rivendicazione 4, comprendente inoltre almeno un dispositivo radialmente orientato (280), in particolare una chiave, in cui detto dispositivo (280) è configurato per scorrere radialmente in una rientranza (255) dell'anello di protezione (250) e/o in una rientranza (262) dell’alloggiamento (261).
6. Turbina (200) della rivendicazione 5, comprendente una pluralità di dispositivi radialmente orientati (280-1, 280-2, 280-3, 280-4), in particolare chiavi, in cui ciascun dispositivo di detta pluralità è configurato per scorrere radialmente in una rientranza corrispondente dell'anello di protezione (250) e/o in una corrispondente rientranza dell’alloggiamento (261).
7. Turbina (200) della rivendicazione 5 o 6, in cui il o ciascun dispositivo (280) è fissato (282) a detto alloggiamento (261), e in cui il o ciascun dispositivo (280) è disposto per scorrere radialmente in una corrispondente rientranza (255) dell'anello di protezione (250).
8. Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto anello di protezione (250) comprende uno strato (253) di materiale abradibile in corrispondenza di una regione interna (252).
9. Turbina (200) della rivendicazione 8, in cui una o più delle pale rotoriche (213) di detta serie comprendono uno strato (215) o un dispositivo di materiale abrasivo in corrispondenza di una regione degli apici (214).
10. Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto anello di protezione (250) è realizzato in o contiene un materiale avente un coefficiente di espansione termica inferiore a 10 μm/m/°C, preferibilmente inferiore a 8 μm/m/°C, più preferibilmente inferiore a 6 μm/m/°C.
11. Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto anello di protezione (250) è realizzato in o contiene un materiale di lega metallica o un materiale ceramico.
12. Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rotore (210) e/o lo statore (260) sono realizzati in uno o più materiali aventi un coefficiente di espansione termica elevato.
13. Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rotore (210) e lo statore (260) sono realizzati in uno o più materiali metallici.
14. Turbina (900) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto anello di protezione (950) si estende attorno a una o due o tre o più serie di pale rotoriche (913-1, 913-2).
15. Turbina (900) della rivendicazione 14, in cui lo statore comprende almeno una serie di alette (967-2), e in cui dette alette (967-2) sono inserite in detto anello di protezione (950).
16 Turbina (200) di qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui è una turbina a gas o una turbina a vapore.
17. Metodo per limitare la perdita di fluido di lavoro tra un rotore (210) e uno statore (260) in una turbina (200) durante il funzionamento di lavoro della turbina (200), la turbina comprendendo almeno una ruota rotorica (212-1) con una serie di pale rotoriche (213-1) e un alloggiamento dello statore (261) che si estende attorno alla serie di pale rotoriche (213-1), in cui l’alloggiamento dello statore (261) ha una dimensione radiale dipendente dalla sua temperatura, in cui la ruota rotorica (212-1) ha una dimensione radiale dipendente dalla sua temperatura, il metodo comprendendo le fasi di: - predisposizione (1320) di un anello di protezione (250) avente una dimensione radiale sostanzialmente indipendente dalla sua temperatura, - posizionamento (1350) dell'anello di protezione (250) concentricamente attorno alla ruota rotorica (212-1), tra la serie di pale rotoriche (213-1) e l’alloggiamento dello statore (261), e - accoppiamento meccanico (1360) dell'anello di protezione (250) con l'alloggiamento (261) in modo che l'accoppiamento sia mantenuto indipendentemente da una temperatura dell'anello di protezione e da una temperatura dell’alloggiamento; in cui a una temperatura di lavoro della turbina, le regioni degli apici (214) delle pale (213-1) di detta serie sono in stretta prossimità o in contatto con una regione interna (252) dell'anello di protezione (250).
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, in cui l'accoppiamento meccanico consente un movimento radiale tra l'anello di protezione (250) e l’alloggiamento (261).
19. Metodo della rivendicazione 18, in cui l'accoppiamento meccanico tra l'anello di protezione (250) e l’alloggiamento (261) è realizzato attraverso una pluralità di chiavi (280).
20. Metodo della rivendicazione 17 o 18 o 19, comprendente inoltre le fasi di: - disposizione (1330) di uno strato (253) di materiale abradibile in corrispondenza di una regione interna (252) dell'anello di protezione (250), e - disposizione (1340) di strati (215) di abrasione o materiale o un dispositivo di materiale abrasivo in corrispondenza di regioni apicali (214) delle pale rotoriche (213-1) di detta serie; in cui a temperatura di lavoro della turbina, dette regioni degli apici (214) o detti dispositivi sono penetrati parzialmente in detta regione interna (252).