ITCO20090069A1 - Metodo e sistema di raffreddamento per specifici componenti di una turbina a gas e relativa turbina - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

Le forme di realizzazione ivi descritte riguardano in genere un metodo ed un relativo sistema per raffreddare specifici componenti soggetti ad elevate temperature in una turbina a gas; riguardano altresì una turbina a gas comprendente un tale sistema di raffreddamento.

STATO DELLA TECNICA

Una turbina a gas comprende – nelle sue caratteristiche principali - un compressore assiale, una pluralità di camere di combustione ed una turbina di espansione, racchiusi entro una cassa in pressione.

L’aria ambiente entra nel compressore, da cui viene compressa per essere alimentata nelle camere di combustione dove reagisce con un combustibile per formare un gas ad elevata temperatura (tipicamente circa 1000 – 1300 °C); il gas caldo viene alimentato alla turbina di espansione lungo un percorso di espansione dove espande azionando schiere di pale in modo da trasformare la propria energia termica in energia meccanica.

In genere, i materiali con cui à ̈ realizzata la camera di combustione necessitano di un potente raffreddamento per evitare rotture; in questa zona della macchina infatti sono soggetti a temperature elevatissime. Risulta altresì particolarmente critico per l’efficienza e l’affidabilità della macchina il raffreddamento dei componenti della turbina di espansione investiti direttamente dal gas caldo ad elevata temperatura. In particolare, la massima potenza erogabile dalla turbina dipende – in breve – dalla massima temperatura raggiungibile dal gas di processo che risulta limitata sostanzialmente dalla resistenza dei materiali con cui sono realizzati i componenti a diretto contatto con il gas.

Risulta pertanto estremamente importante raffreddare correttamente tali componenti per aumentare la massima potenza erogabile diminuendo al tempo stesso la probabilità di rotture.

E’ da notare che la temperatura del gas di processo diminuisce lungo il percorso di espansione, per cui i componenti soggetti alle temperature più elevate risultano quelli disposti a monte del percorso di espansione in prossimità della camera di combustione; tali componenti infatti se non refrigerati deteriorano molto più rapidamente dei componenti non direttamente investiti dal gas caldo o comunque più a valle nel percorso di espansione, anche se realizzati in materiali speciali con o senza barriere termiche, quali ad esempio metalli, superleghe o altro. Il rischio à ̈ pertanto un loro rapido deterioramento potenzialmente catastrofico per la macchina.

In particolare, data la criticità di tali componenti a valle della camera di combustione, sono state sviluppate diverse tecniche di raffreddamento particolarmente raffinate ed al tempo stesso costose nella fabbricazione e nella manutenzione, come ad esempio il raffreddamento a film o “film cooling†, il raffreddamento a getto o “impingment†, l’uso di promotori di turbolenza o di opportune barriere termiche o altre ancora, così come noto ai tecnici del settore oppure sono stati impiegati materiali costosi e di difficile manufatturabilità.

Attualmente quindi, nonostante gli sviluppi della tecnologia, risulta problematico ed à ̈ sentita la necessità di realizzare turbine a gas che abbiano prestazioni sempre migliori a costi relativamente contenuti; tali macchine essendo progettate generalmente per avere le migliori prestazioni e resistere alle massime temperature raggiungibili durante le condizioni di lavoro a regime o a pieno carico.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Secondo un primo aspetto, Ã ̈ previsto un metodo di funzionamento per una turbina a gas comprendente almeno le seguenti fasi:

a - comprimere un fluido di lavoro per mezzo di un compressore; b - surriscaldare detto fluido di lavoro compresso per mezzo di almeno una camera di combustione;

c - espandere detto fluido di lavoro surriscaldato in almeno una turbina di espansione per produrre energia;

d - alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno degli spazi ruota della turbina di espansione;

e - regolare la quantità di detto fluido di raffreddamento in modo da mantenere la temperatura degli spazi ruota entro limiti accettabili per la resistenza dei materiali ed al tempo stesso ridurre detta quantità per aumentare il rendimento termodinamico della macchina nel suo complesso durante particolari condizioni operative.

Nell’ambito della presente descrizione e delle allegate rivendicazioni per “spazio ruota†(chiamato anche “disc cavity†o “wheelspace†) si intende – in breve – sia lo spazio tra le strutture statoriche ed i dischi di supporto delle pale della turbina di espansione sia lo spazio tra un disco di supporto e quello adiacente; pertanto si ricomprende in esso – in senso generale – tutti i componenti o parti della macchina che vi si affacciano, vedi anche descrizione più sotto.

Il fluido di lavoro à ̈ in genere realizzato aspirando aria ambiente in ingresso al compressore; il fluido di lavoro surriscaldato pertanto risulta una miscela di aria ambiente e gas di combustione ad elevata temperatura.

In una forma di attuazione particolarmente vantaggiosa, la fase di regolazione (e) trova particolare applicazione e viene attivata durante le condizioni operative a carico parziale o le condizioni di funzionamento durante le quali la macchina non lavora costantemente alla massima potenza prevista, siano esse dovute ad una necessità dello specifico impianto sia dettate da particolari condizioni ambientali, come ad esempio quando à ̈ richiesta solo parte della potenza massima erogabile o quando si presentano repentine escursioni termiche ambientali oppure durante l’avviamento della stessa macchina od altro ancora.

In particolare, à ̈ da notare che in alcune applicazioni industriali sono previste turbine a gas progettate specificatamente per lavorare costantemente a pieno carico, per fornire la massima quantità di energia disponibile in uscita in modo sostanzialmente costante nel tempo, come ad esempio le turbine utilizzate per guidare i generatori elettrici. In questo caso le condizioni operative non a regime corrispondono sostanzialmente alle condizioni durante l’avvio o lo spegnimento della macchina od eventuali blocchi macchina estemporanei.

Al contrario, in altre applicazioni industriali, sono previste turbine progettate specificatamente per lavorare non a pieno carico per fornire quantità varabile di energia in uscita, come ad esempio le turbine utilizzate come motori di aerei o per attivare una macchina a carico variabile (un compressore o altro).

Secondo un altro aspetto, à ̈ previsto un sistema di raffreddamento atto ad alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno degli spazi ruota della turbina di espansione ed a regolare la quantità di detto fluido di raffreddamento in modo da mantenere la temperatura degli spazi ruota entro limiti accettabili per la resistenza dei materiali ed al tempo stesso ridurre detta quantità per aumentare il rendimento termico della macchina nel suo complesso.

Secondo un ulteriore aspetto, Ã ̈ prevista una turbina a gas comprendente un sistema di raffreddamento del tipo sopra descritto.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione può essere meglio compresa ed i suoi numerosi scopi e vantaggi risulteranno evidenti agli esperti del ramo con riferimento ai disegni schematici allegati, che mostrano una pratica esemplificazione non limitativa del trovato stesso. Nei disegni:

Figura 1 à ̈ una vista schematica in sezione longitudinale di una macchina secondo una forma di attuazione dell’invenzione;

Figura 2 mostra un dettaglio ingrandito di Fig.1; e

Figura 3 mostra un dettaglio ingrandito di Fig.2.

FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

Nei disegni, nei quali ad uguali numeri corrispondono uguali parti in tutte le diverse figure, una turbina à ̈ indicata con 1, vedi Fig.1, e comprende – nelle sue caratteristiche principali – un compressore assiale 3, una o più camere di combustione 5 ed una turbina di espansione 6, formata da una prima parte cosiddetta ad alta pressione 7 e da una successiva parte a bassa pressione 9, racchiusi entro una cassa 8 in pressione, eventualmente formata da uno o più gusci associati tra loro.

L’aria ambiente entra (vedi freccia F1) in un ingresso a monte del compressore 3, entro cui viene compressa per poi essere alimentata (freccia F2) nella camera o nelle camere di combustione 5 attraverso opportune canalizzazioni 11; nella camere o nelle camere di combustione 5 l’aria compressa reagisce con un combustibile per formare un gas caldo, tipicamente a circa 1000 – 1300 °C. Il gas caldo viene alimentato (freccia F3) alla turbina di espansione ad alta pressione 7 e successivamente a quella di bassa pressione 9 lungo un percorso di espansione – indicato genericamente con 12 - dove espande trasformando la propria energia termica in energia meccanica; infine, fuoriesce dalla macchina (F4).

Per turbina di espansione 7 di alta pressione si intende, in generale, quella parte di turbina destinata alle fasi iniziali dell’espansione dei gas a monte del percorso di espansione in prossimità delle camere di combustione 5, per le macchine plurialbero.

Per turbina di espansione 9 di bassa pressione si intende altresì quella parte di turbina destinata alle fasi finali dell’espansione dei gas a valle del percorso di espansione, per le macchine plurialbero.

La turbina di espansione 7 ad alta pressione in genere à ̈ composta da una o più schiere di pale statoriche 13S e rotoriche 13R ed aziona il compressore 3 tramite un primo albero 17 rotante attorno ad un asse X1; la turbina di espansione 9 a bassa pressione à ̈ composta anch’essa da una o più schiere di pale statoriche 15S e rotoriche 15R – vedi anche Fig.2 - ed aziona una macchina esterna (in genere un generatore di corrente elettrica od un compressore, ma non solo) non mostrata in figura per semplicità, tramite un secondo albero 18 coassiale al primo 17. E’ chiaro agli esperti del settore che à ̈ possibile prevedere un solo albero continuo al posto del primo e secondo albero 17, 18 ivi descritti in funzione della particolare macchina realizzata.

Le pale rotoriche 13R della turbina di espansione 7 sono collegate meccanicamente all’albero 17 tramite rispettivi dischi rotorici 17A sagomati mentre le pale statoriche 13S sono associate a tenuta su rispettivi dischi statorici 17B, questi ultimi sagomati e solidali allo stesso albero 17; i dischi 17A e 17B sono disposti alternati uno all’altro e accoppiati solidalmente tra loro per formare un unico assieme rotante. Allo stesso modo, le pale rotoriche 15R della turbina di espansione 9 a bassa pressione sono collegate meccanicamente all’albero 18 tramite opportuni dischi rotorici 18A sagomati; le pale statoriche 15S della stessa turbina 9 sono a loro volta sono associate a tenuta su rispettivi dischi statorici 18B sagomati e solidali all’albero 18; i dischi 18A e 18B sono disposti anch’essi alternati uno all’altro e collegati meccanicamente tra loro, vedi anche descrizione più sotto.

E’ da notare inoltre che sono previste tenute tra i dischi 17A, 17B e 18A, 18B, le pale 13R, 13S e 15S, 15R e la cassa 8 in modo da isolare il più possibile il gas lungo il percorso di espansione 11 in modo da aumentare il rendimento della macchina, come noto ai tecnici del settore.

Secondo una prima forma di attuazione vantaggiosa, prevede che la fase di alimentazione (d) sia realizzata alimentando il fluido di raffreddamento in pressione da canalizzazioni 21, 23 e 25 atte a spillarlo da uno stadio del compressore 3 ed alimentarlo – vedi anche Fig.2 – in almeno uno spazio ruota S1, S2, S3 e rispettivamente S4 della turbina 9 di bassa pressione.

In questo modo il sistema di raffreddamento per gli spazi ruota risulta particolarmente economico, poiché non richiede componenti esterni per il fluido di raffreddamento. D’altra parte questo spillamento, seppur piccolo, comporta in generale una perdita nel rendimento globale della macchina, in specie durante le condizioni operative a carico parziale o non a regime, o in condizioni ambientali particolarmente sfavorevoli. Una centralina elettronica C di controllo à ̈ vantaggiosamente e preferibilmente collegata ad un dispositivo attuatore a valvola 27A, 27B e rispettivamente 27C, preferibilmente del tipo normalmente aperto, previsto su ciascuna canalizzazione 21, 23 e 25 in modo da regolare la portata dello spillamento di raffreddamento, vedi descrizione più sotto. In Fig.1 si nota inoltre uno schermo termico 29 che viene generalmente previsto per dividere la turbina di espansione 7 di alta pressione da quella 9 di bassa pressione in funzione sostanzialmente della pressione del gas lungo il percorso di espansione 11; tale schermo 29 può essere evitato, qualora le specifiche di progetto non lo richiedano.

Ancora, in questa Figura à ̈ mostrato un cuscinetto meccanico 33 di supporto per l’albero ruotante 17 ed inoltre un canale 35 che collega fluidamente la mandata del compressore 3 con un vano cavo 37 ricavato coassialmente all’interno dell’albero 17 a sua volta in collegamento fluido con gli spazi ruota della turbina di espansione 7 di alta pressione in modo da raffreddare in modo costante detti spazi ruota della turbina 7 per mezzo della parte di fluido di lavoro che viene intercettata nel canale 35 (freccia F9) senza alcun tipo di regolazione o controllo. E’ comunque da notare che possono essere innumerevoli i sistemi di raffreddamento dei componenti soggetti ad elevate temperature utilizzabili in combinazione nella macchina 1 ed ivi non rappresentati per semplicità.

In Fig.2 Ã ̈ mostrato un ingrandimento della turbina di espansione 9 di Fig.1 in cui si nota in particolare il primo spazio ruota S1 formato tra lo schermo termico 29 ed il primo disco rotorico 18A; il secondo spazio ruota S2 formato tra il primo disco rotorico 18A ed il primo disco statorico 18B; il terzo spazio ruota S3 formato tra il primo disco statorico 18B ed il secondo disco rotorico 18A ed il quarto o ultimo spazio ruota S4 a sua volta formato tra il secondo disco rotorico 18A e la cassa 8. Gli spazi ruota S1-S4 sono racchiusi entro pareti laterali della cassa 8.

Secondo una forma di attuazione vantaggiosa, la prima canalizzazione 21 passa attraverso un primo vano statorico 8S’ ricavato nella cassa 8, quindi attraversa la prima pala statorica 15S per immettersi nel primo spazio ruota S1 della stessa turbina 9; la seconda canalizzazione 23 passa attraverso un secondo vano statorico 8S’’ ricavato nella cassa 8 e successivamente attraverso la seconda pala statorica 15S per immettersi in un secondo e in un terzo spazio ruota S2 e rispettivamente S3 della turbina di espansione 9 a bassa pressione. La terza canalizzazione 25 à ̈ vantaggiosamente prevista in modo da passare attraverso la cassa 8 e collegarsi fluidamente all’ultimo spazio ruota S4. E’ da notare che, nella realizzazione mostrata in Figura, quest’ultima canalizzazione 25 non passa attraverso un vano statorico della cassa 8, ma si inserisce nella zona posteriore 8P della stessa cassa 8 priva di tale vano.

E’ chiaro che la forma della cassa 8, dei vani statorici 8S’ e 8S’’, delle pale 13R, 13S e 15R, 15S e degli spazi ruota S1, S2 e S3 sono ivi rappresentati a titolo indicativo, potendo essere in numero e forme differenti in funzione di specifiche esigenze costruttive o di utilizzo; ad esempio, i vani statorici 8S’ e 8S’’ possono non essere presenti e pertanto le pale 16S’ e 16S’’ possono essere fissate direttamente sulla cassa 8. Le canalizzazioni 21, 23 e 25 possono altresì essere previste su di un numero prestabilito di pale 13R, 13S o 15R, 15S, in funzione di specifiche esigenze di progettazione.

E’ da notare inoltre che, in questa realizzazione, le canalizzazioni 21 e 23 non prevedono aperture verso il rispettivo vano 8S’ e rispettivamente 8S’’, non à ̈ comunque da escludere le possano prevedere in modo da alimentare almeno parte del fluido di raffreddamento all’interno del rispettivo vano; in quest’ultimo caso, d’altra parte, la temperatura del fluido in ingresso allo spazio ruota S1 e rispettivamente S2, S3 potrebbe subire delle variazioni od oscillazioni risultando più difficile da controllare in modo ottimale.

Vantaggiosamente, un primo sensore 29A à ̈ previsto nel primo spazio ruota S1 in una posizione tale da rilevare la sua massima temperatura, preferibilmente in prossimità della stessa pala 15S; un secondo ed un terzo sensore 29B e 29C sono previsti all’interno del vano ruota S2 e rispettivamente S3, anch’essi in posizioni tali da rilevarne la massima temperatura durante il funzionamento della macchina ed un quarto sensore 29D à ̈ previsto in una posizione opportuna all’interno dello spazio ruota S4. Tali sensori 29A-29D sono elettronicamente collegati e monitorati dalla centralina C (vedi anche Fig.1). In questo modo la centralina C à ̈ in grado di monitorare direttamente ed in tempo reale le variazioni di temperatura dei vani ruota S1-S4 e comandare le valvole 27A-27C al bisogno.

In un’altra forma di realizzazione vantaggiosa, à ̈ possibile prevedere di monitorare la temperatura di ciascuno spazio ruota S1-S4 in modo indiretto per mezzo di uno o più sensori atti a misurare uno o più parametri termodinamici di riferimento, come ad esempio un sensore per la temperatura esterna 29E, un sensore 29F per la temperatura e/o la pressione di mandata del compressore assiale 3, un sensore 29G per la temperatura del gas scaricato dalla macchina, un sensore 29H per la potenza della macchina, un sensore 29I per misurare il carico della macchina oppure ancora monitorando – non mostrato in Figura – l’inclinazione di eventuali palette a geometria variabile – non mostrate nelle Figure per semplicità – poste in ingresso al compressore 3 o altro ancora. In questo caso la centralina C riceve i dati dai sensori 29E-29I da cui ricava le variazioni di temperatura dei vani ruota S1-S4 in modo da comandare, al bisogno, le valvole 27A-27C.

Non à ̈ da escludere di poter prevedere un numero e/o una tipologia differente di sensori 29A-29I oppure di poter utilizzare quei sensori tradizionalmente previsti in funzione della particolare turbina 1.

E’ da notare che à ̈ preferibile il monitoraggio della temperatura in modo diretto, poiché comporta in genere minori costi di installazione e di manutenzione ed una risposta del sistema più veloce ed efficace; non à ̈ comunque da escludere di utilizzare il suddetto monitoraggio indiretto nel caso in cui si possano utilizzare sensori o dispositivi già presenti sulla macchina.

La Fig.3 mostra in particolare la pala statorica 15S presentante una estremità inferiore che si associa a tenuta all’estremità superiore del primo disco statorico 18B per mezzo di una trazionale tenuta a labirinto 31; le pale rotoriche 15R presentano alette di pezzo per limitare le aperture di passaggio, tra ciascun spazio ruota S1-S4 ed il canale di espansione 12, attraverso le quali si scarica (frecce F8) l’aria di raffreddamento. In alcuni casi, à ̈ possibile che il gas caldo dal percorso di espansione 12 penetri all’interno di tali aperture entrando negli spazi ruota S1-S4, come accennato più sopra.

E’ da notare inoltre che i vani statorici 8S’ e 8S’’ sono zone solidali o fisse realizzate verso l’esterno della cassa 8, non sono a diretto contatto con il gas di processo e possono essere dotate di sistemi di tenuta meccanici – non mostrati in Figura per semplicità - che evitano o comunque limitano l’eventuale ingresso di gas caldo al loro interno; tali vani statorici 8S’ e 8S’’ possono pertanto prevedere sistemi di raffreddamento indipendenti. Non à ̈ comunque da escludere che la presente invenzione possa essere applicata per raffreddare almeno in parte anche tali vani statorici 8S’ e 8S’’, in funzione di particolari applicazioni o necessità.

Il funzionamento della macchina ivi descritta prevede una fase iniziale di avviamento, durante il quale la stessa macchina raggiunge gradualmente le condizioni di regime. Durante l’avviamento i sensori 29A-29I misurano (in modo diretto od indiretto) la temperatura degli spazi ruota S1-S4, la quale aumenta progressivamente fino a raggiungere un valore di temperatura a regime, mentre il sistema di controllo C aumenta gradualmente la portata del fluido di raffreddamento verso gli spazi ruota S1-S4 in funzione della variazione di tale temperatura fino alla temperatura di regime.

Una volta raggiunte le condizioni a regime, il sistema di raffreddamento eroga una portata di fluido di raffreddamento sostanzialmente costante fino a quando avviene una variazione della temperatura di almeno uno spazio ruota S1-S4 misurata da almeno un sensore 29A-29I.

Questa variazione di temperatura può avvenire quando la potenza erogata dalla macchina viene modificata secondo specifiche esigenze di funzionamento oppure, in alternativa, quando vi sono variazioni sostanziali delle condizioni ambientali (per esempio tra il giorno e la notte in particolari località del globo, o a seconda dei periodi dell’anno, estate e inverno).

In questi casi, questo sistema di raffreddamento regola la portata del fluido di raffreddamento in modo da mantenere la temperatura di ogni spazio ruota S1-S4 entro dei valori prestabiliti.

E’ da notare che prevedere le canalizzazioni 21, 23 e 25 indipendenti o separate le une dalle altre, comporta il notevole vantaggio che à ̈ possibile controllare la temperatura di ogni spazio ruota S1-S4 indipendentemente, ottenendo una regolazione più raffinata e più efficace per ciascuno di essi.

Un’altra forma di attuazione vantaggiosa, à ̈ previsto di alimentare il fluido di raffreddamento in pressione da un eventuale sistema di scarico – non mostrato in Figura per semplicità – per il compressore 3, presente in specifiche applicazioni; anche in questo caso si ottiene pertanto un sistema particolarmente economico poiché sfrutta in gran parte la componentistica già prevista.

Una ulteriore forma di attuazione, à ̈ previsto di alimentare il fluido di raffreddamento da un eventuale sistema di compressione – anch’esso non mostrato in Figura – esterno alla macchina.

E’ da notare che le suddette tre forme di attuazione per la fase di alimentazione (d) possono essere realizzate singolarmente oppure in combinazione tra loro in funzione delle esigenze specifiche o della particolare macchina in uso; non à ̈ altresì da escludere di poter prevedere ulteriori differenti alimentazioni per il fluido di raffreddamento degli spazi ruota in funzione di una particolare applicazione o macchina.

In una forma di attuazione particolarmente vantaggiosa, à ̈ previsto di alimentare il fluido di raffreddamento in pressione all’interno degli spazi ruota solo della turbina di espansione 7 di alta pressione, che risulta soggetta alle temperature maggiori, migliorando sensibilmente il rendimento complessivo della macchina e risultando allo stesso tempo particolarmente economico.

In un’altra forma di attuazione vantaggiosa, à ̈ previsto di alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno degli spazi ruota di una turbina a gas di tipo monoalbero. E’ da notare che in questo caso non à ̈ possibile distinguere una turbina di bassa pressione e una di alta pressione, il sistema di raffreddamento potendo essere applicato ad almeno uno degli stadi di espansione.

E’ stato provato dagli autori della presente invenzione che l’ottimizzazione e la regolazione minuziosa della portata del fluido di raffreddamento per detti spazi ruota comporta un beneficio sul rendimento totale della macchina durante condizioni operative particolari il quale, seppur piccolo in termini assoluti, à ̈ reputato sorprendentemente significativo in considerazione del fatto che il mercato attuale richiede macchine sempre più performanti.

In particolare, tale raffreddamento perfezionato degli spazi ruota permette di diminuire la quantità di fluido di raffreddamento durante condizioni operative a carichi parziali o non a regime o durante particolari condizioni ambientali, migliorando sensibilmente il rendimento termico della stessa espansione.

E’ possibile inoltre aumentare il lavoro di espansione (sempre ai carichi parziali o in occasione di particolari condizioni ambientali), aumentando il lavoro utile globale erogabile dalla turbina. In particolare, nel caso in cui il fluido di raffreddamento sia ricavato tramite uno spillamento di fluido di lavoro a monte della turbina di espansione, come accennato più sopra, si ottiene una regolazione calibrata della portata di fluido di lavoro in ingresso nel percorso di espansione.

Vantaggiosamente, à ̈ possibile prevedere di alimentare la massima quantità disponibile di fluido di raffreddamento quando la macchina funziona a regime oppure, ancora, di passare ad un funzionamento sostanzialmente tradizionale in caso di malfunzionamento di tale sistema di raffreddamento, in modo da diminuire il rischio di surriscaldamento dei componenti ed elevare ulteriormente l’affidabilità della macchina.

Il sistema di raffreddamento sopra descritto viene preferibilmente realizzato in combinazione con sistemi di raffreddamento noti in modo da ottenere una macchina particolarmente efficace, performante e dall’elevato rendimento termico, come ad esempio i sistemi di raffreddamento delle pale, i sistemi di raffreddamento dei vani statorici e quelli per i cuscinetti meccanici.

E’ da notare inoltre che il sistema ivi descritto e rivendicato può essere altresì realizzato in combinazione con i tradizionali sistemi di raffreddamento per gli spazi ruota, i quali prevedono l’immissione di una quantità costante di aria di raffreddamento in funzione di particolari applicazioni; in quest’ultimo caso d’altra parte si otterebbe una diminuzione degli effetti benefici sul rendimento.

E’ chiaramente possibile aggiungere uno o più dispositivi di raffreddamento nel circuito di raffreddamento oppure realizzare differenti metodi di controllo per l’ottimizzazione perfezionata e minuziosa delle prestazioni e l’aumento sensibile della vita utile dei componenti di una macchina, in funzione di particolari esigenze di costruzione o di utilizzo.

In questo modo à ̈ possibile aumentare il rendimento termodinamico globale e la potenza erogabile dalla macchina durante le condizioni operative a carico parziale o non a regime, o condizioni ambientali particolari, come descritto più sopra.

Inoltre, per modificare il raffreddamento non à ̈ necessario sostituire o modificare sostanzialmente il componente da raffreddare, come invece avviene in genere nel caso dei componenti direttamente a contatto con il gas caldo ad elevata temperatura.

Ancora, à ̈ possibile evitare in modo più efficace che il gas ad elevata temperatura possa passare dal percorso di espansione all’interno degli spazi ruota, inconveniente che può portare ad una diminuzione della vita utile.

Secondo forme di attuazione particolari, à ̈ possibile implementare il sistema di raffreddamento ivi descritto e rivendicato sia su macchine nuove sia su macchine esistenti in modo agevole ed economico, limitando al massimo l’installazione di ulteriore strumentazione o nuova sensoristica.

In definitiva, tale metodo e sistema di raffreddamento consentono una regolazione del fluido di raffreddamento estremamente affidabile e versatile nonché l’ ottimizzazione perfezionata e minuziosa delle prestazioni della macchina in funzione delle sue condizioni operative e delle condizioni ambientali.

E’ inteso che quanto illustrato rappresenta solo possibili forme di attuazione non limitative dell’invenzione, la quale può variare nelle forme e disposizioni senza uscire dall’ambito del concetto alla base dell’invenzione.

Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative sono stati forniti numerosi dettagli specifici per rendere chiara l’invenzione rivendicata. Comunque, risulterà chiaro al tecnico medio esperto del settore che differenti realizzazioni possono essere messe in pratica senza questi dettagli specifici.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle realizzazioni esemplificative siano descritti in riferimento a specifiche combinazioni, ogni caratteristica o elemento può essere usato da solo od in combinazione con altre caratteristiche ivi descritte.

L’eventuale presenza di numeri di riferimento nelle rivendicazioni allegate ha unicamente lo scopo di facilitarne la lettura alla luce della descrizione che precede e degli allegati disegni e non ne limita in alcun modo l’ambito di protezione.

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Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Un metodo di funzionamento per una turbina a gas comprendente almeno le seguenti fasi: a- comprimere un fluido di lavoro per mezzo di un compressore (3); b- surriscaldare detto fluido di lavoro compressoper mezzo di almeno una camera di combustione (5) ; c- espandere detto fluido di lavoro surriscaldato per mezzo di almeno una turbina di espansione (6) per produrre energia; d- alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno di almeno uno spazio ruota (S1-S4) di detta almeno una turbina di espansione (6); e- regolare la quantità di detto fluido di raffreddamento in modo da mantenere la temperatura di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) entro limiti accettabili per la resistenza dei materiali ed al tempo stesso ridurre detta quantità per aumentare il rendimento termico di detta turbina a gas nel suo complesso durante particolari condizioni operative.
2. 2) Il metodo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di alimentazione (d) à ̈ realizzata secondo almeno una delle seguenti sottofasi: - spillare una parte del fluido di lavoro da detta fase di compressione (a) per alimentarlo come fluido di raffreddamento in pressione all’interno di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4); - alimentare il fluido di lavoro da un eventuale sistema di scarico, presente su detto compressore (3); - alimentare il fluido di raffreddamento da un eventuale sistema di compressione esterno a detta turbina a gas.
3. 3) Il metodo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase (d) prevede di alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) di una turbina di espansione (9) di bassa pressione.
4. 4) Il metodo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta fase di regolazione (e) prevede di monitorare costantemente la temperatura di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) in modo diretto e/o di monitorare costantemente la temperatura di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) in modo indiretto.
5. 5) Un sistema di raffreddamento atto ad alimentare un fluido di raffreddamento in pressione all’interno di almeno uno spazio ruota (S1-S4) della turbina di espansione (6) ed a regolare la quantità di detto fluido di raffreddamento in modo da mantenere la temperatura di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) entro limiti accettabili per la resistenza dei materiali ed al tempo stesso ridurre detta quantità per aumentare il rendimento termico della turbina a gas.
6. 6) Il sistema di raffreddamento come da rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una canalizzazione (21; 23; 25) atta ad alimentare il fluido di raffreddamento in detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) ed una centralina elettronica (C) di elaborazione e controllo atta a monitorare la temperatura di detto almeno uno spazio ruota (S1-S4) per regolare conseguentemente la quantità di fluido di raffreddamento.
7. 7) Il sistema di raffreddamento come da rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta centralina elettronica (C) Ã ̈ atta a monitorare detta temperatura in modo diretto oppure in modo indiretto.
8. 8) Il sistema di raffreddamento come da rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un dispositivo attuatore (27A; 27B; 27C) associato fluidamente su detta canalizzazione (21; 23; 25) ed elettronicamente collegato ad una centralina elettronica (C) in modo da regolare la quantità del fluido di raffreddamento all’interno della canalizzazione in funzione di segnali di controllo provenienti da detta centralina (C).
9. 9) Il sistema di raffreddamento come da rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta canalizzazione (21; 23; 25) Ã ̈ configurata in modo da spillare il fluido di lavoro in un punto a valle di detta turbina di espansione (6; 9); oppure in modo da alimentare il fluido di lavoro da un eventuale sistema di scarico del fluido di lavoro provvisto su detto compressore (3); oppure ancora ancora in modo da alimentare il fluido di raffreddamento da un sistema di compressione esterno provvisto sulla turbina in fuzione di specifiche applicazioni industriali.
10. 10) Una turbina a gas comprendente un sistema di raffreddamento come da rivendicazione 5.