ITCO20090063A1

ITCO20090063A1 - Metodi e sistemi per saldatura a raggio di giranti

Info

Publication number: ITCO20090063A1
Application number: IT000063A
Authority: IT
Inventors: Ugo Cantelli; Mirco Innocenti; Enzo Miniati
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-06-12
Also published as: BR112012015888A2; US20130017067A1; AU2010329992A1; IT1397327B1; CA2784932A1; RU2012126745A; EP2509739A1; CN102741007A; WO2011069989A1; AU2010329992B2; MX2012006757A; CN102741007B; CO6571885A2; EP2509739B1

Description

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale ai compressori e, più specificamente, alle tecniche di saldatura delle giranti dii compressori. ARTE NOTA

Il compressore è una macchina che accelera particelle di gas per aumentare, in definitiva, la pressione di un fluido comprimibile, ad esempio un gas, utilizzando energia meccanica. I compressori sono impiegati in numerose applicazioni diverse, compreso l’uso come stadio iniziale di una turbina a gas. Tra i vari tipi di compressori ci sono i cosiddetti compressori centrifughi, nei quali l’energia meccanica agisce sul gas in ingresso al compressore per mezzo dell’accelerazione centrifuga, ad esempio attraverso la rotazione di una girante centrifuga (a volte detta "rotore") attraverso cui passa il fluido comprimibile. Più generalmente, i compressori centrifughi possono essere considerati tra le macchine note come “turbomacchine” o “macchine turborotanti”. I compressori centrifughi possono essere dotati di una girante singola, in una configurazione monostadio, oppure di una molteplicità di giranti poste in serie, nel qual caso sono spesso indicati come compressori multistadio. Ogni stadio di un compressore centrifugo comprende di solito un tubo d’ingresso per il gas da comprimere, una girante in grado di fornire energia cinetica al gas in ingresso e un diffusore che converte l’energia cinetica del gas che lascia il rotore in energia di pressione. La girante generalmente comprende una pluralità di palette disposte in posizione radiale l’una rispetto all’altra per formare una pluralità di passaggi che convergono verso il centro della girante e attraverso cui, durante il funzionamento, fluisce il gas comprimibile. Le palette sono collegate a un mozzo a un’estremità e a una carenatura all’altra estremità. Tali giranti sono soggette a sollecitazioni significative durante il funzionamento, attribuibili ad esempio alle alte velocità a cui ruotano e alle elevate densità con cui i gas comprimibili vengono erogati ai compressori centrifughi. Pertanto, è importante progettare tali giranti in modo che resistano a tali sollecitazioni e funzionino in modo stabile per lunghi periodi di tempo.

Il modo in cui le palette sono collegate a mozzo e carenatura è pertanto molto importante in relazione alla struttura complessiva della girante; in precedenza sono state usate diverse tecniche di connessione. Non è insolito che le palette vengano lavorate assieme al mozzo come monopezzo e quindi collegate alla carenatura, ad esempio mediante saldatura. Ad esempio, come mostrato in Figura 1, una paletta 10 di girante ha una zona di connessione in sezione trasversale che è generalmente di forma triangolare, anche se con una piccola porzione piana in prossimità della punta, e forma un blocco unico con il mozzo 12. Tale paletta 10 può essere collegata a una carenatura 14 mediante tecnica di saldatura ad arco manuale interna. Qui si effettuano cinque passaggi di saldatura ad arco (come evidenziato dalle zone 1-5) per saldare l’estremità della paletta 10 alla superficie della carenatura 14. Tuttavia questo processo di collegamento soffre degli svantaggi generici dei processi manuali, ad esempio mancanza di uniformità nella saldatura e inadeguatezza dei costi, il primo svantaggio determinando difetti di deformazione del collegamento che impediscono alla girante di sopportare le sollecitazioni operative a causa di variabilità geometriche a livello della paletta, determinate dal processo di collegamento a saldatura manuale. La forma finale della paletta, una volta collegata alla carenatura mediante saldatura ad arco manuale, varierà quindi da paletta a paletta nella girante.

Sono state proposte anche tecniche di collegamento esterno automatizzato. Ad esempio, come illustrato in Figura 2, un processo di saldatura automatizzato a gas inerte di tungsteno (TIG) può essere usato per fissare una paletta 20 alla carenatura 22. In questo meccanismo di collegamento, si forma una feritoia 24 nella carenatura 22 che inizialmente è coperta da una porzione metallica relativamente sottile o membrana 26. In questa tecnica, si può notare che l’area di collegamento della paletta 20 ha un profilo sezionale generalmente rettangolare. La saldatura viene effettuata attraverso una serie di passaggi di saldatura (identificati come zone 1-7 in Figura 2) dall’esterno della carenatura 22, la prima delle quali fonde la porzione sottile di metallo 26 e le rimanenti delle quali riempiono la scanalatura 24. Questo processo di saldatura è stato inoltre progettato per generare un raggio di raccordo concavo (zone di collegamento curve) tra la paletta 20 e la carenatura 22. Tuttavia, dato che lo stesso processo di saldatura genera le aree curve sui due lati della paletta 20, il risultato è l’insita non uniformità dei raggi di raccordo concavo tra le varie palette nella girante.

Sono inoltre state usate tecniche di saldatura a raggio con fascio di elettroni o raggio laser per collegare le palette di girante alla carenatura. Come indicato in Figura 3, una paletta 30, lavorata sul mozzo 32 e con sezione trasversale della zona di collegamento di forma tipicamente rettangolare, può essere saldata alla carenatura 34 applicando direttamente il fascio di elettroni o il raggio laser attraverso la carenatura 34 all’area di collegamento della paletta 30 e fondendo la paletta 30 sulla carenatura 34. Tuttavia, anche questo approccio presenta una serie di svantaggi. Ad esempio, nella zona di collegamento tra la paletta 30 e la carenatura 34, non vi sono raggi di raccordo concavo generati da questo processo di saldatura, ovvero i bordi della paletta 30 restano rettilinei e perpendicolari relativamente alla superficie della carenatura. Inoltre non vi è penetrazione della zona di collegamento della paletta 30 nella carenatura 34, il che determina una saldatura incompleta. Dal punto di vista della produzione, tale saldatura incompleta rende storicamente inadeguate le tecniche di saldatura a raggio con fascio di elettroni o raggio laser per la produzione di giranti. Un altro difetto di queste tecniche è la mancanza di precisione associata al processo di saldatura, con conseguente difficoltà di applicare la saldatura direttamente al centro della punta della paletta, creando così ulteriori difetti nella giunzione. Il problema diventa ancora più significativo con l’aumentare della complessità della forma della paletta, ad esempio con curve e torsioni.

Per fissare le giranti ad altre superfici, sono state utilizzate anche tecniche di brasatura, autonomamente o in congiunzione con le tecniche di saldatura a raggio. Tuttavia anche queste tecniche risentono dei problemi di mancanza di penetrazione, mancanza di raccordi concavi e incompletezza della saldatura, di cui si è trattato in precedenza. Inoltre, la giunzione creata mediante tecniche di brasatura non è omogenea, il che potenzialmente riduce le caratteristiche meccaniche della giunzione, specialmente in condizioni operative che comportano la presenza di gas corrosivi che possono intaccare il materiale di brasatura.

Pertanto, sarebbe desiderabile progettare e fornire tecniche di saldatura a raggio con fascio di elettroni o raggio laser delle palette di giranti ad altre superfici, ad esempio carenature, che eliminino i predetti ostacoli delle tecniche di saldatura esistenti.

DESCRIZIONE SOMMARIA

Le realizzazioni esemplificative si riferiscono a sistemi e metodi per consentire l’uso di tecniche di saldatura a raggio automatizzate per fissare una paletta di girante, ad esempio a una carenatura. Secondo una realizzazione esemplificativa, un’area di collegamento della paletta di girante ha una sezione trasversale a martello che agevola la saldatura a raggio della zona di collegamento a una scanalatura della superficie o a un corpo a cui dovrà essere collegata la paletta.

Secondo una realizzazione esemplificativa, un metodo per la saldatura a raggio di una paletta di girante a una superficie comprende le seguenti fasi: l’inserimento di una zona di collegamento della paletta di girante in una scanalatura della superficie, l’esecuzione di un primo passaggio di saldatura a raggio su un primo lato della zona di collegamento della paletta di girante per saldare il primo lato dell’area di collegamento della paletta di girante a un lato della scanalatura, l’esecuzione di un secondo passaggio di saldatura a raggio su un secondo lato della zona di collegamento della paletta di girante per saldare il secondo lato della zona di collegamento della paletta di girante a un altro lato della scanalatura.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, una girante include un mozzo con una pluralità di palette di girante lavorate insieme allo stesso e una carenatura contenente scanalature lavorate sulla stessa e collegate a ciascun elemento della pluralità di palette di girante nella zona di collegamento della paletta di girante, mediante saldatura a raggio di ciascuno dei due lati delle zone di collegamento delle palette di girante, ai corrispondenti lati delle scanalature.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa ancora, una turbomacchina contiene un assieme rotore contenente almeno una girante, un cuscinetto collegato a detto assieme rotore che lo sostiene in rotazione, e uno statore, dove almeno una girante include un mozzo con una pluralità di palette di girante lavorate insieme allo stesso e una carenatura contenente scanalature lavorate sulla stessa e collegate a ciascun elemento della pluralità di palette di girante nella zona di collegamento della paletta di girante, mediante saldatura a raggio di ciascuno dei due lati delle zone di collegamento delle palette di girante, ai corrispondenti lati delle scanalature.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni allegati illustrano le realizzazioni esemplificative, dove: la Figura 1 illustra una tecnica di saldatura ad arco manuale per una paletta di girante;

la Figura 2 illustra una tecnica di saldatura automatizzata esterna per una paletta di girante;

la Figura 3 illustra una tecnica di saldatura a raggio convenzionale per una paletta di girante;

la Figura 4 illustra un compressore centrifugo esemplificativo in cui possono essere utilizzate le giranti realizzate secondo le forme di realizzazione esemplificative;

le Figure 5 e 6 illustrano una girante esemplificativa che può essere prodotta secondo le realizzazioni esemplificative;

la Figura 7 illustra una zona di collegamento della girante e un metodo per la saldatura a raggio di una girante a un’altra superficie secondo una realizzazione esemplificativa: e

la Figura 8 è un diagramma di flusso che illustra un metodo di saldatura di una girante a un'altra superficie secondo una forma di realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. Ulteriormente, la seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate.

Per fornire un contesto alla successiva trattazione relativa alle tecniche di saldatura e alle sagome delle zone di collegamento delle palette di giranti secondo queste realizzazioni esemplificative, la Figura 4 illustra schematicamente un compressore centrifugo multistadio 40 nel quale possono essere impiegate le giranti realizzate in base a queste tecniche. In essa, il compressore 40 include una scatola o alloggiamento (statore) 42 all’interno della quale è montato un albero compressore rotante 44 dotato di una pluralità di giranti centrifughe 46. Il gruppo rotore 48 include l’albero 44 e le giranti 46 ed è supportato radialmente e assialmente mediante cuscinetti 50 disposti all’uno e all’altro lato del gruppo rotore 48.

Il compressore centrifugo multistadio funziona prendendo un gas di processo in entrata dal condotto d’ingresso 52, accelerandone le particelle tramite il gruppo rotore 48 ed emettendo poi il gas di processo attraverso vari condotti interstadio 54 a una pressione d’uscita più alta di quella d’ingresso. Il gas di processo può essere ad esempio biossido di carbonio, solfuro di idrogeno, butano, metano, etano, propano, gas naturale liquido o una loro combinazione. Fra le giranti 46 e i cuscinetti 50, sono forniti sistemi di tenuta (non raffigurati) per evitare che il gas di processo scorra verso i cuscinetti 50. L’alloggiamento 42 è configurato in modo tale da coprire sia i cuscinetti 50 sia i sistemi di tenuta per evitare fughe di gas dal compressore centrifugo 40.

Un’illustrazione più dettagliata, ma puramente esemplificativa, di una girante 46 viene fornita in Figura 5, dove si può vedere che la girante 46 presenta una pluralità di palette di girante 60 orientate radialmente fra un mozzo 62 e una carenatura 64 alla quale sono fissate, ad esempio ai punti di collegamento 66. La sezione esplosa della girante 46 rivela la natura ritorta delle palette della girante 60 dall’estremità stretta della girante 46 alla sua estremità più ampia. La Figura 6 è una vista parziale in sezione trasversale della girante 46 della Figura 5 presa dal centro della girante. Lì, i punti di collegamento 66 delle palette della girante 60 alla carenatura 64 possono essere visti più chiaramente e ora i meccanismi mediante i quali detti collegamenti sono formati secondo le realizzazioni esemplificative saranno descritti a partire dalla Figura 7, che è una vista in sezione trasversale lungo le linee B—B in Figura 6. Lì, si vede la sagoma a martello della zona di collegamento 70 delle palette della girante secondo le realizzazioni esemplificative. A differenza delle altre zone di collegamento delle palette di girante sopra descritte, si può osservare che la zona di collegamento 70 è più ampia (più spessa) dalla sua estremità esterna 72 alla sua estremità interna 74 rispetto alla porzione adiacente successiva della paletta di girante 60. Inoltre, a livello dell’estremità interna 74, la zona di collegamento 70 si congiunge al resto della paletta 60 attraverso le sezioni curve 76 e 78, le quali sono state progettate con un raggio predeterminato di curvatura (raggio di raccordo) ad esempio di 3-4 mm, per fornire alla paletta di girante fissata le caratteristiche desiderate di forza e curvatura. Così, la larghezza (spessore) della zona di collegamento 70 può, ad esempio, essere uguale allo spessore della paletta più il doppio del raggio di raccordo desiderato.

Secondo una realizzazione esemplificativa, per fissare la paletta di girante 60 alla carenatura 64 può essere messa in atto la tecnica di saldatura di cui al diagramma di flusso della Figura 8. In primo luogo, la zona di collegamento 70 della paletta di girante 60 viene inserita in una scanalatura corrispondente 80 della carenatura 64. Quindi, una saldatrice a raggio laser o a fascio di elettroni (non visibile in Figura 6) genera un raggio saldante laser o a elettroni nella (piccolo) distanza fra un lato della zona di collegamento 70 e un lato della scanalatura 80 nella carenatura 64 e quindi ripete quel processo sull’altro lato della zona di collegamento 70, come indicato dalle due grandi frecce di Figure 6 fra i lati della zona di collegamento e i lati della scanalatura della carenatura. L’attrezzatura di saldatura a fascio di elettroni e/o a raggio laser utilizzata per i passaggi di saldatura può essere un’attrezzatura di saldatura a raggio standard, come ad esempio divulgato nei brevetti statunitensi N. 7.312.417 e N. 7.413.620, le cui divulgazioni sono qui accluse per riferimento. Questo processo di saldatura a raggio a doppio passaggio crea rapidamente un giunto di collegamento solido su entrambi i lati della zona di collegamento 70 alla carenatura 64, senza fondere o altrimenti impattare sui raggi di raccordo delle porzioni curve 76 e 78 o senza deformare la paletta 60 in quanto, fra le altre cose, le saldature vengono effettuate lungo i lati della zona di collegamento 70 e non modificano i raggi di raccordo preformati 76 e 78.

Così, secondo una realizzazione esemplificativa, un metodo per saldatura a raggio di una paletta di girante ad una superficie, ad esempio la carenatura di una girante, può includere le fasi illustrate nel diagramma di flusso della Figura 7. Lì, alla fase 90, la zona di collegamento di una paletta di girante viene inserita in una scanalatura della superficie. Quindi, alla fase 92, un primo passaggio di saldatura a raggio viene effettuato su un primo lato della zona di collegamento della paletta di girante per saldare il primo lato della zona di collegamento della paletta di girante ad un lato della scanalatura. Quindi, alla fase 94, un secondo passaggio di saldatura a raggio viene effettuato su un secondo lato della zona di collegamento della paletta di girante per saldare il secondo lato della zona di collegamento della paletta di girante ad un altro lato della scanalatura.

Pertanto la presente invenzione ammette molte variazioni nell’implementazione dettagliata, che possono essere desunte da un esperto in materia in base alla descrizione qui contenuta. Tutte le predette variazioni e modifiche sono considerate rientranti nello scopo e nello spirito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni di seguito esposte.

Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che non sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, come qui indicato, l’articolo “un” si intende comprensivo di uno o più oggetti.

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Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per saldare a raggio una paletta di girante ad una superficie, detto metodo comprendente: l’inserimento di una zona di collegamento della paletta di girante in una scanalatura di detta superficie; l’esecuzione di un primo passaggio di saldatura a raggio su un primo lato di detta zona di collegamento della paletta di girante per saldare detto primo lato di detta zona di collegamento della paletta di girante ad un lato di detta scanalatura. l’esecuzione di un secondo passaggio di saldatura a raggio su un secondo lato di detta zona di collegamento della paletta di girante per saldare detto secondo lato di detta zona di collegamento della paletta di girante ad un altro lato di detta scanalatura. 2. Il metodo della rivendicazione 1, dove detto processo di saldatura a raggio è o un processo di saldatura a raggio laser o un processo di saldatura a fascio di elettroni. 3. Il metodo della rivendicazione 1, dove detta zona di collegamento della paletta di girante presenta una zona in sezione trasversale a martello che è più ampia, da una prima estremità di essa che viene inserita in detta scanalatura ad una seconda estremità della stessa, di una porzione adiacente di detta paletta di girante. 4. Una girante comprendente: un mozzo provvisto di una pluralità di palette di girante in esso fresate; e una carenatura provvista di scanalature in essa formate e collegate a ciascuna detta pluralità di palette di girante a livello delle zone di collegamento delle palette di girante mediante saldatura a raggio di ciascuno dei due lati di dette zone di collegamento di palette di girante ai lati corrispondenti di una di dette scanalature. 5. Il metodo della rivendicazione 4, dove detto processo di saldatura a raggio è o un processo di saldatura a raggio laser o un processo di saldatura a fascio di elettroni. 6. Il metodo della rivendicazione 4, dove detta zona di collegamento della paletta di girante presenta una zona in sezione trasversale a martello che è più ampia, da una prima estremità di essa che viene inserita in detta scanalatura ad una seconda estremità della stessa, di una porzione adiacente di detta paletta di girante. 7. Il sistema della rivendicazione 6, dove detta zona di collegamento della paletta di girante comprende ulteriormente: due sezioni curve che collegano detta zona di collegamento di palette di girante a detta porzione adiacente di detta paletta di girante, dove dette due porzioni curve hanno ciascuna un raggio curvature predeterminato e non sono impattate da detti primo e secondo passaggio di saldatura a raggio. 8. Una turbomacchina comprendente: un gruppo rotore che comprende almeno una girante; un cuscinetto collegato al gruppo rotore, che lo sostiene in rotazione; e uno statore, dove detta almeno una girante include: un mozzo provvisto di una pluralità di palette di girante in esso fresate; e una carenatura provvista di scanalature in essa formate e collegate a ciascuna detta pluralità di palette di girante a livello delle zone di collegamento delle palette di girante mediante saldatura a raggio di ciascuno dei due lati di dette zone di collegamento di palette di girante ai lati corrispondenti di una di dette scanalature. 9. Il metodo della rivendicazione 8, dove detta zona di collegamento della paletta di girante presenta una zona in sezione trasversale a martello che è più ampia, da una prima estremità di essa che viene inserita in detta scanalatura ad una seconda estremità della stessa, di una porzione adiacente di detta paletta di girante. 10. Il sistema della rivendicazione 9, dove detta zona di collegamento della paletta di girante comprende ulteriormente: due sezioni curve che collegano detta zona di collegamento della paletta di girante a detta porzione adiacente di detta paletta di girante. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A method for beam welding an impeller blade to a surface, the method comprising: inserting an impeller blade connection area into a slot in said surface; performing a first beam welding pass on a first side of said impeller blade connection area to weld said first side of said impeller blade connection area to one side of said slot; and performing a second beam welding pass on a second side of said impeller blade connection area to weld said second side of said impeller blade connection area to another side of said slot.
2. The method of claim 1, wherein said beam welding process is one of a laser beam welding process and an electron beam welding process.
3. The method of claim 1, wherein said impeller blade connection area has a hammer-shaped cross sectional area which is wider, from a first end thereof which is inserted into said slot to a second end thereof, than an adjacent portion of said impeller blade.
4. An impeller comprising: a hub having a plurality of impeller blades milled therein; and a shroud having slots formed therein and connected to each of said plurality of impeller blades at impeller blade connection areas by beam welding of each of two sides of said impeller blade connection areas to corresponding sides of one of said slots.
5. The impeller of claim 4, wherein said beam welding is one of a laser beam welding process and an electron beam welding process.
6. The impeller of claim 4, wherein said impeller blade connection area has a hammer-shaped cross sectional area which is wider, from a first end thereof which is inserted into a corresponding slot to a second end thereof, than an adjacent portion of said impeller blade.
7. The impeller of claim 6, wherein said impeller blade connection area further comprises: two curved sections which connect said impeller blade connection area to said adjacent portion of said impeller blade, wherein said two curved portions each have a predetermined radius of curvature and are not impacted by said first and second beam welding passes.
8. A turbo machine comprising: a rotor assembly including at least one impeller; a bearing connected to, and for rotatably supporting, the rotor assembly; and a stator, wherein said at least one impeller includes: a hub having a plurality of impeller blades milled therein; and a shroud having slots formed therein and connected to each of said plurality of impeller blades at impeller blade connection areas by beam welding of each of two sides of said impeller blade connection areas to corresponding sides of one of said slots.
9. The turbo machine of claim 8, wherein said impeller blade connection area has a hammer-shaped cross sectional area, which is wider, from a first end thereof which is inserted into a corresponding slot to a second end thereof, than an adjacent portion of said impeller blade.
10. The turbo machine of claim 9, wherein said impeller blade connection area further comprises: two curved sections which connect said impeller blade connection area to said adjacent portion of said impeller blade.