IT202100020378A1 - Sistema di raffreddamento per turbomacchine - Google Patents

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IT202100020378A1
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IT
Italy
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cooling system
oil
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turbine
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IT102021000020378A
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Luca Buzzi
Gennaro Luigi Di
Carmine Russo
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Punch Torino S P A
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Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO PER TURBOMACCHINE
DESCRIZIONE
Settore Tecnico dell?Invenzione
La presente invenzione ? relativa ad un innovativo sistema di raffreddamento per turbomacchine. Pi? specificamente il sistema di raffreddamento ? basato su getti d?olio ed ? particolarmente idoneo per turbocompressori di motori a combustione interna.
Tecnica Nota
Com?? noto le turbomacchine sono macchine in cui lo scambio di energia con il fluido avviene grazie alla rotazione di una ruota, altres? detta rotore o girante, calettata su un albero, munita alla periferia di pale, e alloggiata in una cassa (detta statore) che pu? essere anch?essa munita di pale.
Nell?ambito delle turbomacchine, il turbocompressore (o turbogruppo o, pi? semplicemente, turbo) ha come scopo principale la sovralimentazione del motore a combustione interna. Il turbocompressore ? definito dall'accoppiamento tra una turbina centripeta e un compressore centrifugo. La turbina costituisce il lato "caldo" o lato di scarico del turbocompressore, dove vengono ricevuti i gas di scarico ad alta temperatura, mentre il compressore centrifugo ? il lato "freddo" o lato di aspirazione, nel quale viene aspirata l'aria da comprimere. Esso costituisce il metodo pi? diffuso per la sovralimentazione dei motori endotermici, in particolare quelli per autotrazione.
Le temperature che si raggiungono sul lato caldo del turbocompressore, legate all?elevata entalpia dei gas di scarico, sono dell?ordine di svariate centinaia di gradi Celsius e necessitano di affidabili sistemi di raffreddamento che asportino calore ai componenti sottoposti a queste alte temperature, in particolar modo i mezzi di tenuta dal lato della turbina.
Il raffreddamento delle aree pi? critiche del corpo centrale di un turbocompressore avviene in modo indiretto attraverso la circolazione del solo olio di lubrificazione destinato al sostentamento del carico dei cuscinetti che ad un tempo asporta anche il calore necessario. Il raffreddamento pu? avvenire anche attraverso la combinazione di circolazione di olio e circolazione di acqua, quest?ultima in un circuito dedicato. L?adozione del circuito di acqua solitamente si applica a motori ad accensione per compressione e a motori per accensione comandata laddove le condizioni di combustione implichino il raggiungimento di temperature di gas di scarico cos? elevate da compromettere la resistenza strutturale dei componenti meccanici.
L?adozione di un circuito di raffreddamento ad acqua ? necessaria non soltanto durante le condizioni operative del motore a combustione interna ma anche immediatamente dopo il suo spegnimento. Infatti, una volta spento il motore endotermico, la turbina trasmette un?onda di calore all?intera cassa del turbocompressore all?interno della quale, nel frattempo, non circola pi? olio. Questo crea surriscaldamenti eccessivi ai cuscinetti e soprattutto alle tenute della turbina. L?utilizzo del circuito di raffreddamento ad acqua ? efficace in quanto l?acqua ha il vantaggio rispetto all?olio che, per effetto termosifone, continua a circolare anche dopo lo spegnimento del motore a combustione interna e quindi prosegue nella sua funzione di asportazione del calore.
Di contro, l?aggiunta della circolazione di acqua comporta una notevole complicazione nel progetto del turbocompressore, in particolare nel progetto del corpo centrale, e un aggravio di costi per attrezzaggio e disposizione delle canalizzazioni di acqua. Inoltre, anche le tubazioni necessarie per portare l?acqua al turbocompressore rappresentano un costo non trascurabile.
Esiste quindi l?esigenza di risolvere il problema tecnico di sopra menzionato per mezzo di una soluzione innovativa che eviti l?utilizzo di un circuito di raffreddamento specifico ad acqua per il raffreddamento del turbocompressore anche nelle applicazioni motoristiche pi? prestazionali.
Sintesi dell?Invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare un sistema di raffreddamento per turbomacchine ed in particolare per turbocompressori che non richieda l?adozione di un circuito di raffreddamento ad acqua.
Pi? specificamente, il sistema di raffreddamento secondo la presente invenzione ? dedicato alle aree pi? critiche del corpo centrale di un turbocompressore - unit? cuscinetto e mezzi di tenuta ? ed ? basato su un idoneo spruzzatore d?olio con dimensionamento e posizionamento ben definiti ed ottimizzati.
Pertanto, secondo un aspetto della presente invenzione viene fornito un sistema di raffreddamento per turbomacchine avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente di prodotto, allegata alla presente descrizione.
Ulteriori forme di realizzazione dell'invenzione, preferite e/o particolarmente vantaggiose, sono descritte secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti allegate.
Breve Descrizione dei Disegni
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la Figura 1 illustra schematicamente il sistema di raffreddamento di una turbomacchina secondo una prima forma di attuazione della presente invenzione,
- la Figura 2 illustra schematicamente il sistema di raffreddamento in una seconda forma di attuazione della presente invenzione,
- la Figura 3 illustra schematicamente il sistema di raffreddamento in una terza forma di attuazione della presente invenzione, e
- la Figura 4 ? un dettaglio, in ingrandimento e con parti asportate per chiarezza, delle forme di attuazione di cui alle figure da 1 a 3.
Descrizione Dettagliata
Come gi? detto, la presente invenzione ? particolarmente idonea per un turbocompressore per la sovralimentazione di motori endotermici ad alte prestazioni, nei quali il raffreddamento del turbocompressore ?, secondo tecnica nota, affidato anche ad un circuito di acqua oltre che all?olio di lubrificazione. La presente invenzione ? comunque applicabile ad un qualsiasi tipo di turbomacchina in cui si vuole evitare l?utilizzo di un circuito di raffreddamento ad acqua.
Con riferimento alla figura 1, con 10 ? indicato nel suo complesso un turbocompressore per motori endotermici di tipo noto, schematizzato nei suoi componenti essenziali. In particolare, il turbocompressore 10 potr? avere una geometria assialsimmetrica attorno ad un asse di rotazione X e potr? comprendere:
- una girante del compressore 1, per la compressione dell?aria di alimentazione del motore endotermico (o altro fluido idoneo), aspirata l'aria da comprimere,
- una girante della turbina 2, per l?espansione dei gas di scarico del motore endotermico,
- un albero 9, girevole, di collegamento tra la turbina e il compressore,
- mezzi di sostentamento 3, 3*, 8, 8* dell?albero 9. In figura 1 ? schematizzato un cuscinetto a strisciamento 3 semi flottante in cui l?anello flottante non ruota e un anello reggispinta 8*,
- mezzi di tenuta 7, dal lato della turbina 2 per sigillare l?olio di lubrificazione verso la girante della turbina 2 e impedire che i gas caldi del motore endotermico fuoriescano dal lato ?caldo? del turbocompressore, ovvero dalla girante della turbina 2.
Secondo l?invenzione, il sistema di raffreddamento 11 e di lubrificazione del turbocompressore 10, realizzato all?interno del corpo centrale del turbocompressore (di tipo noto e per questo motivo non rappresentato negli schemi delle figure 1-4), comprende:
- un canale principale 4 di adduzione dell?olio (asservito anche alla lubrificazione del turbogruppo, oltre che al suo raffreddamento). Il canale principale 4, come schematizzato in figura 1, pu? far pervenire una portata di olio al cuscinetto a strisciamento 3 semi flottante direttamente o per mezzo di ulteriori canalizzazioni non illustrate per semplicit?,
- una diramazione 6 che preleva una parte della portata di olio del canale principale 4 per addurla all?anello reggispinta 8*. In questa configurazione, l?anello reggispinta 8* potrebbe anche essere integrato nel cuscinetto a strisciamento 3, semi flottante,
- almeno un canale-spruzzatore 5, 5* per il raffreddamento dei mezzi di tenuta 7. Il canale spruzzatore, la cui posizione o il cui numero pu? variare a seconda delle applicazioni e nella figura 1 ? illustrato esemplificativamente in due posizioni 5, 5*, preleva una portata di olio, direttamente o indirettamente, dal canale principale 4, al quale ? collegato, e termina con un ugello spruzzatore 5a il cui diametro ?5 e la cui distanza d dai mezzi di tenuta 7 sono predeterminati come verr? meglio descritto nel seguito. L?ugello spruzzatore si trova quindi nella posizione distale del canale-spruzzatore 5, 5* rispetto al canale principale 4.
Con riferimento alla figura 2, il turbocompressore 10 si differenzia per il fatto che i mezzi di sostentamento comprendono una coppia di cuscinetti a strisciamento 3 flottanti (in cui, cio?, i corrispondenti anelli flottanti ruotano) e un anello reggispinta 8.
Secondo l?invenzione, il sistema di raffreddamento 11 e di lubrificazione del turbocompressore 10, realizzato all?interno del corpo del turbocompressore comprende:
- un canale principale 4 di adduzione dell?olio (asservito anche alla lubrificazione del turbogruppo, oltre che al suo raffreddamento). Il canale principale 4, fa pervenire una portata di olio ai cuscinetti a strisciamento 3 flottanti per mezzo di ulteriori canalizzazioni 4*,
- una diramazione 6 che preleva una parte della portata di olio del canale principale 4 per addurla all?anello reggispinta 8,
- almeno un canale-spruzzatore 5, 5* per il raffreddamento dei mezzi di tenuta 7. Il canale spruzzatore, la cui posizione o il cui numero pu? variare a seconda delle applicazioni e nella figura 2 ? illustrato esemplificativamente in due posizioni 5, 5*, preleva una portata di olio, direttamente o indirettamente, dal canale principale 4, al quale ? collegato, e termina con un ugello spruzzatore 5a il cui diametro ?5 e la cui distanza d dai mezzi di tenuta 7 sono predeterminati. Anche in questo esempio di attuazione, l?ugello spruzzatore si trova nella posizione distale del canalespruzzatore 5, 5* rispetto al canale principale 4.
Con riferimento alla figura 3, il turbocompressore 10 si differenzia per il fatto che i mezzi di sostentamento comprendono una coppia di cuscinetti volventi 3* in grado di sopportare carichi radiali e assiali. Per questo motivo il turbocompressore secondo questa configurazione non necessita di anelli reggispinta. Naturalmente, qualora si prevedesse l?utilizzo di cuscinetti volventi idonei a sopportare i soli carichi radiali, dovr? essere previsto anche un anello reggispinta, ma anche questa forma di attuazione sar? ricompresa nella presente invenzione.
Secondo l?invenzione, il sistema di raffreddamento 11 e di lubrificazione del turbocompressore 10, realizzato all?interno del corpo del turbocompressore comprende:
- un canale principale 4 di adduzione dell?olio (asservito anche alla lubrificazione del turbogruppo, oltre che al suo raffreddamento). Il canale principale 4, fa pervenire una portata di olio ai cuscinetti a volventi 3* per mezzo di ulteriori canalizzazioni 4*,
- almeno un canale-spruzzatore 5, 5* per il raffreddamento dei mezzi di tenuta 7. Il canale spruzzatore, la cui posizione o il cui numero pu? variare a seconda delle applicazioni e nella figura 3 ? illustrato esemplificativamente in due posizioni 5, 5*, preleva una portata di olio, direttamente o indirettamente, dal canale principale 4, al quale ? collegato, e termina con un ugello spruzzatore 5a il cui diametro ?5 e la cui distanza d dai mezzi di tenuta 7 sono predeterminati. Anche in questo esempio di attuazione, l?ugello spruzzatore si trova nella posizione distale del canalespruzzatore 5, 5* rispetto al canale principale 4.
Secondo la presente invenzione il canale-spruzzatore 5, 5* ? realizzato nel corpo centrale turbocompressore 10. Il canale-spruzzatore ? orientato opportunamente in modo da indirizzare il getto di olio verso i mezzi di tenuta 7 olio dal lato della turbina 2, senza tuttavia investirle direttamente, ed ? alimentato da uno spillamento di portata proveniente dal canale principale 4 di alimentazione olio del turbocompressore o dalle ulteriori canalizzazioni 4* di alimentazione olio per i cuscinetti 3, 3*. Preferibilmente, il canale-spruzzatore 5-5* pu? lavorare con pressioni dell?olio entro i 10 bar.
? evidente che le forme di attuazione dell?invenzione, di sopra descritti, rappresentano degli esempi non limitativi: in particolare la tipologia, la disposizione e le capacit? di carico dei cuscinetti presentati non hanno lo scopo di limitare l?invenzione agli esempi descritti, potendosi adottare, nell?ambito del medesimo concetto inventivo, qualsiasi architettura di elementi di supporto dell?albero del turbocompressore.
Con riferimento alla figura 4, ? da osservare che ? importante ai fini della presente invenzione il dimensionamento del canale-spruzzatore 5,5 * sia per quanto attiene al suo diametro ?5 che determiner? la portata di olio spillata dal canale principale 4, sia per quanto attiene alla distanza dai mezzi di tenuta 7, che determiner? l?efficacia dell?asportazione di calore da parte della portata di olio spillata proveniente dal canale-spruzzatore.
Per quanto riguarda il diametro?5 del canale-spruzzatore 5, 5*, esso dovr? essere in relazione con il diametro ?4 del canale principale 4. Vantaggiosamente, l?efficacia della soluzione si ottiene se il diametro ?5 del canale-spruzzatore 5, 5* risulta compreso tra il 10% e il 25% del diametro ?4 del canale principale 4. Poich? il diametro ?4 del canale principale 4, nelle applicazioni per motori endotermici ad alte prestazioni, assume valori compresi tra i 5 mm e i 6 mm, un intervallo ottimale per il dimensionamento del diametro ?5 del canale-spruzzatore 5, 5* sar? compreso tra 0,7 mm e 1,3 mm. Valori percentuali di ?5/?4 inferiori al 10% renderebbero la realizzazione del canale-spruzzatore 5, 5* tecnologicamente complessa o addirittura non fattibile, mentre valori percentuali di ?5/?4 superiori al 25% creerebbero uno spillamento di olio nel canale-spruzzatore eccessivo che andrebbe a scapito della lubrificazione dei mezzi di sostentamento dell?albero del turbocompressore.
La distanza d della porzione di estremit? del canale-spruzzatore 5, 5*, ovvero dell?ugello spruzzatore 5a, dai mezzi di tenuta 7 ? un altro parametro importante per il corretto dimensionamento del sistema di raffreddamento 11: con una distanza molto piccola si corre il rischio che l?olio investa direttamente e con velocit? elevate i mezzi di tenuta 7 pregiudicandone la stessa funzionalit?. Al contrario, l?olio per nessuna ragione deve essere indirizzato sugli anelli di tenuta pur essendo spruzzato in una zona prospiciente ad essi. Preferibilmente, sarebbe utile proteggere la zona dei mezzi di tenuta dall?eventuale contatto diretto con l?olio di lubrificazione, grazie ad un opportuno deflettore che potr? essere ricavato dalla stessa fusione del corpo della turbina. Viceversa, una distanza eccessiva renderebbe poco efficace la funzione di asportazione del calore dai mezzi di tenuta 7. ? opportuno, pertanto, in base all?applicazione, mettere in relazione la distanza d con il diametro ?5 del canale-spruzzatore 5, 5*. Un intervallo idoneo, confermato da calcoli e da test sperimentali, ? il seguente:
5 ?5 < d < 12?5
ovvero con la distanza d tra ugello spruzzatore 5a e mezzi di tenuta 7 lato turbina compresa tra cinque e dodici volte il diametro ?5 del canalespruzzatore 5, 5*.
L?adozione del canale-spruzzatore consente di realizzare un raffreddamento delle zone pi? critiche (mezzi di tenuta olio dal lato della turbina) comparabile al raffreddamento indiretto ottenibile con circolazione dell?acqua.
In altre parole, la presente soluzione consente dove possibile di evitare l?utilizzo di un circuito di raffreddamento ad acqua, asservendo l?intero raffreddamento della turbomacchina al solo olio di lubrificazione. Ci? ? sicuramente vantaggioso da un punto di vista economico, ma non solo: - molte delle attuali architetture motore prevedono che il turbo sia posizionato nella porzione superiore del vano motore. Ci? fa venir meno l?effetto termosifone menzionato in premessa, eliminando anche il residuo vantaggio legato all?utilizzo del raffreddamento ad acqua;
- il raffreddamento ad olio, secondo la presente invenzione, permette che l?onda di calore (che si verifica con lo spegnimento del motore) parta da temperature pi? basse, facendo s? che i limiti di temperatura non vengano superati. Pertanto con questa tipologia di raffreddamento si utilizza lo stesso principio sfruttato dal raffreddamento ad acqua, rendendo quest?ultimo non pi? necessario.
Oltre alla forma di realizzazione dell'invenzione, come sopra descritto, si deve comprendere che esistono numerose altre varianti. Si deve anche comprendere che tali forme di realizzazione sono solo esemplificative e non limitano n? l'ambito dell'invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue possibili configurazioni. Al contrario, sebbene la descrizione di cui sopra consenta al tecnico specializzato di attuare la presente invenzione almeno secondo una sua forma di realizzazione esemplificativa, si deve comprendere che sono possibili molte varianti dei componenti descritti, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, come definita nelle rivendicazioni allegate, che sono interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Sistema di raffreddamento (11) per una turbomacchina (10) provvista di almeno una girante di una turbina (2) e di mezzi di tenuta (7), atti ad evitare che l?olio fuoriesca verso la girante della turbina (2), in cui il sistema di raffreddamento (11) ? basato esclusivamente sull?asportazione di calore da parte dell?olio di lubrificazione e comprende un canale principale (4) di adduzione dell?olio a mezzi di sostentamento (3, 3*, 8, 8*) della turbomacchina (10),
il sistema di raffreddamento (11) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre almeno un canale-spruzzatore (5, 5*) per il raffreddamento dei mezzi di tenuta (7), fluidodinamicamente connesso al canale principale (4), atto a fornire una portata di olio addotta, direttamente o indirettamente, dal canale principale (4) e terminante, in posizione distale rispetto al canale principale (4), con un ugello spruzzatore (5a) prospiciente ai mezzi di tenuta (7).
2. Sistema di raffreddamento (11) secondo la rivendicazione 1, in cui un diametro (?5) del canale-spruzzatore (5, 5*) ? compreso tra il 10% e il 25% di un diametro (?4) del canale principale (4).
3. Sistema di raffreddamento (11) secondo la rivendicazione 2, in cui per valori del diametro (?4) del canale principale (4) compresi tra 5 mm e 6 mm, corrispondenti valori del diametro (?5) del canale-spruzzatore (5, 5*) risultano compresi tra 0,7 mm e 1,3 mm.
4. Sistema di raffreddamento (11) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui una distanza (d) dell?ugello spruzzatore (5a) dai mezzi di tenuta (7) ? compresa tra cinque e dodici volte il diametro (?5) del canale-spruzzatore (5, 5*).
5. Sistema di raffreddamento (11) secondo la rivendicazione 4, in cui la turbina (2) comprende un corpo provvisto di un deflettore atto a proteggere mezzi di tenuta (7) dal contatto diretto con l?olio di lubrificazione.
6. Sistema di raffreddamento (11) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui ? presente una diramazione (6) fluidodinamicamente connessa al canale principale (4), contenente una portata di olio proveniente dal canale principale (4) e addotta ad un anello reggispinta (8, 8*) della turbomacchina (10).
7. Sistema di raffreddamento (11) secondo la rivendicazione 6, in cui il canale principale (4) ? provvisto di ulteriori canalizzazioni (4*) per l?adduzione di olio a cuscinetti a strisciamento (3) flottanti della turbomacchina (10).
8. Sistema di raffreddamento (11) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il canale principale (4) ? provvisto di ulteriori canalizzazioni (4*) per l?adduzione di olio a cuscinetti volventi (3*) della turbomacchina (10).
9. Sistema di raffreddamento (11) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui all?interno del canale-spruzzatore (5, 5*), la pressione dell?olio assume valori non superiori a 10 bar.
10. Turbomacchina comprendente:
- una girante di un compressore (1),
- una girante di una turbina (2),
- un albero (9), girevole, di collegamento tra la turbina e il compressore,
- mezzi di sostentamento (3, 3*, 8, 8*) dell?albero (9),
- mezzi di tenuta (7), dal lato della turbina (2),
la turbomacchina (10) essendo caratterizzata da un sistema di raffreddamento (11), secondo una delle rivendicazioni precedenti.
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