ITCO20100046A1

ITCO20100046A1 - Dispositivo espansore multistadio assiale con ingranaggi, sistema e metodo

Info

Publication number: ITCO20100046A1
Application number: IT000046A
Authority: IT
Inventors: Simone Billi; Gatta Stefania Della; Ercole Michele D
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-02-28
Also published as: CA2749481A1; US20150240640A1; US20120051883A1; EP2423487A1; US9995143B2; IT1401662B1; CA2749481C; EP2423487B1

Description

TITLE I TITOLO:

GEARED AXIAL MULTISTAGE EXPANDER DEVICE, SYSTEM AND METHOD / DISPOSITIVO ESPANSORE MULTISTADIO ASSIALE CON INGRANAGGI, SISTEMA E METODO

ARTE NOTA CAMPO TECNICO

Le realizzazioni dell’oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a metodi e sistemi e, più particolarmente, a meccanismi e tecniche per la formazione di un espansore multistadio assiale.

RIASSUNTO DELL'ARTE NOTA

In questi ultimi anni, con l’aumento del costo dei combustibili fossili e la maggiore consapevolezza collettiva nei confronti dei problemi energetici, è fortemente cresciuto l’interesse verso le nuove tecnologie o l'ottimizzazione di quelle esistenti per ridurre gli sprechi energetici. Pertanto, le diverse industrie a energia intensiva sono alla ricerca di nuovi modi per ridurre la loro dipendenza dalle fonti energetiche non rinnovabili e dai consumi energetici.

Un modo per ridurre il consumo energetico è ridurre al minimo lo spreco di energia nelle fasi di produzione. L'industria energetica ad esempio ricava energia dalla combustione di carbone e gas naturale o dalla reazione nucleare per la produzione di calore. Una volta che il calore proveniente da questi processi viene utilizzato per generare elettricità, i gas caldi vengono scaricati neH'ambiente. Questi gas caldi (gas di scarico) rappresentano l'energia sprecata. Altri grandi produttori di energia di scarico sono gli altiforni, i dispositivi criogenici, le raffinerie di petrolio, gli impianti chimici, etc.

Gli espansori vengono impiegati per recuperare energia al termine dei processi o dal gas di scarico. L'energia recuperata dall'espansore, che altrimenti andrebbe persa, viene utilizzata per alimentare le altre attrezzature del processo (compressore aereo) o per produrre elettricità (alimentazione del generatore), aumentando in tal modo l'efficienza deirimpianto. Di seguito vengono indicate le comuni applicazioni di un espansore: acciaierie (altiforni), impianti di separazione dell'aria (criogenici), raffinerie di petrolio, impianti chimici (acido nitrico, ossido di etilene), etc.

Un espansore 10 è illustrato in Figura 1 e questa figura illustra non solo le dimensioni del dispositivo, ma anche i suoi componenti principali, quali l'alloggiamento esterno 12, il cono a prua 14, lo statore 16 e il diffusore 18. Un altro componente dell'espansore che non è mostrato in Figura 1 è il rotore. In Figura 2 è visibile un espansore aperto che mostra il rotore 20 avente diversi profili aerodinamici rotorici 20a. La Figura 2 mostra anche lo statore 16 avente diversi profili aerodinamici 16a. Mentre i profili aerodinamici statorici 16a sono fissati all'alloggiamento 12, i profili aerodinamici rotorici 20a sono configurati per ruotare con il rotore 20 rispetto all'alloggiamento 12. Il rotore 20 è collegato a un albero 22 che facilita la rotazione del rotore.

Quando è in funzione, l'espansore 10 è configurato per ricevere un gas lungo le frecce 24. Il gas passa sopra il cono a prua 14 dell'espansore, attraversa i profili aerodinamici (palette) statorici 16a e impatta sui profili rotorici 20a. I profili aerodinamici rotorici estraggono energia dal gas e la convertono in energia rotazionale attraverso il rotore 20 e l'albero 22. Questo processo di espansione comporta un calo della temperatura e un recupero dell'energia di pressione.

La Figura 2 mostra un espansore monostadio, ad es. un rotore singolo 20 avente un singolo insieme di profili aerodinamici 20a. Tuttavia, è possibile avere rotori multipli dotati di profili aerodinamici multipli, tutti disposti sullo stesso albero and tutti rotanti alla stessa velocità angolare, come mostrato in Figura 3. La Figura 3 mostra un espansore multistadio assiale 25 comprensivo di un alloggiamento 26, un rotore 27 su cui sono fissati molteplici profili rotorici 28, corrispondenti ai vari stadi, in modo che ruotino insieme al rotore 27. I corrispondenti profili statorici 29 sono collegati a un componente fisso, ad es., l'alloggiamento 26. Come mostrato in Figura 3, si ha anche un'entrata 30 e un'uscita 32 dell'espansore 25.

Tuttavia, a completare l'espansore multistadio assiale con grande efficienza del funzionamento complessivo in modo da non compromettere la producibilità (ad es. mantenere un'altezza ragionevole dei profili aerodinamici dei primi stadi), è necessaria nei primi stadi una velocità rotazionale del rotore dell'espansore piuttosto elevata. Poiché i dispositivi collegati all'espansore (ad es. il generatore di potenza) richiedono in genere una velocità rotazionale minore, solitamente fra l'espansore e il dispositivo collegato all'espansore viene collocato un differenziale esterno per eguagliare le diverse velocità rotazionali.

In un'altra applicazione, vengono impiegati due espansori assiali differenti per recuperare più energia calda. Un primo espansore è un espansore assiale ad alta velocità (per cui carichi e costi del componente più elevati richiedono materiali di qualità superiore) in coppia con un secondo espansore a bassa velocità con un differenziale collocato fra i due espansori. Questo progetto è illustrato in Figura 4 in cui il primo espansore assiale 34 è combinato al secondo espansore assiale 35 attraverso un differenziale esterno 36. Resta inteso che il differenziale 36 è collegato, esternamente agli espansori 34 e 35, a un albero 38 del primo espansore 32 e un albero 40 del secondo espansore 34. Questa disposizione riduce l'efficienza complessiva del sistema e aumenta la sua complessità poiché potenzialmente limita l'operatività della turbomacchina, determinando anche un incremento di costi dell'intero sistema e della relativa manutenzione.

Di conseguenza, sarebbe auspicabile prevedere sistemi e metodi che evitino gli inconvenienti e i problemi precedentemente descritti.

SINTESI

Secondo una realizzazione esemplificativa, è presente un espansore multistadio assiale comprensivo di un alloggiamento e una pluralità di stadi. Uno stadio è costituito da uno statore collegato all'alloggiamento munito di molteplici profili statorici e configurato per ruotare attorno allo statore dotato di molteplici profili statorici. L'espansore comprende anche un meccanismo di supporto collegato all'alloggiamento e configurato come supporto rotante del rotore. I profili aerodinamici rotorici di almeno uno stadio della molteplicità di stadi sono configurati per ruotare a una velocità diversa dai profili aerodinamici rotorici degli altri stadi, e lo statore, il rotore e il meccanismo di supporto della molteplicità di stadi sono forniti all'interno dell'alloggiamento.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, è presente un sistema atto ad eseguire l'espansione di un gas. Il sistema comprende un espansore multistadio assiale configurato per ricevere il gas ad alta temperatura e/o ad alta pressione; e una macchina condotta collegata all'espansore multistadio assiale e configurata per essere condotta dall'espansore multistadio assiale. L'espansore multistadio assiale comprende un alloggiamento e una pluralità di stadi. Uno stadio è costituito da uno statore collegato all'alloggiamento munito di molteplici profili statorici e configurato per ruotare attorno allo statore dotato di molteplici profili statorici. L'espansore comprende anche un meccanismo di supporto collegato all'alloggiamento e configurato come supporto rotante del rotore. I profili aerodinamici rotorici di almeno uno stadio della molteplicità di stadi sono configurati per ruotare a una velocità diversa dai profili aerodinamici rotorici degli altri stadi, e lo statore, il rotore e il meccanismo di supporto della molteplicità di stadi sono forniti all'interno dell'alloggiamento.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un sistema di generazione di potenza. Il sistema è costituito da un compressore configurato per comprimere aria; una camera di combustione fluidamente collegata al compressore e configurata per ricevere aria compressa e carburante e per bruciare una miscela di aria compressa e carburante; un espansore configurato per ricevere gas caldi dalla camera di combustione; un dispositivo di conservazione di energia termica configurato per immagazzinare l'energia termica proveniente dai gas ricevuti dall'espansore; un dispositivo di immagazzinamento del gas in comunicazione fluida con il dispositivo di conservazione dell'energia termica e configurato per immagazzinare i gas raffreddati; un espansore multistadio assiale configurato per ricevere i gas dal dispositivo di immagazzinamento del gas dopo essere stato scaldato dal dispositivo di conservazione dell'energia termica; e una macchina condotta collegata all'espansore multistadio assiale e configurata per essere condotta dall'espansore multistadio assiale. L'espansore multistadio assiale è costituito dai profili aerodinamici rotorici di almeno uno dei molteplici stadi configurati per ruotare a velocità diverse da quelle dei profili rotorici degli altri stadi.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, si ha un metodo di assemblaggio di un espansore multistadio assiale. Il metodo comprende la predisposizione di una molteplicità di stadi comprensivi di uno statore collegato a un alloggiamento e dotato di molteplici profili statorici e di un rotore configurato per ruotare attorno allo statore munito di molteplici profili rotorici; il collegamento dei profili rotorici di almeno uno stadio a un differenziale in modo che i suddetti profili ruotino a una velocità diversa da quella dei profili rotorici degli altri stadi; l'installazione di un meccanismo di supporto da collegare all'alloggiamento; e il collegamento rotante del rotore al meccanismo di supporto.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni tecnici allegati nella descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più realizzazioni e, unitamente alla descrizione, spiegano tali realizzazioni. Nei disegni: la Figura 1 è una veduta generale di un espansore convenzionale;

la Figura 2 è un diagramma schematico dell'espansore di Figura 1 ;

la Figura 3 è un diagramma schematico di un compressore multistadio assiale convenzionale;

la figura 4 è un diagramma schematico di due espansori collegati fra loro da un differenziale esterno;

la figura 5 è un diagramma schematico di un espansore multistadio assiale dotato di un differenziale interno secondo una realizzazione esemplificativa;

le figure 6 e 7 sono diagrammi schematici di espansori multistadi assiali dotati di differenziali interni secondo una realizzazione esemplificativa; la Figura 8 è un diagramma schematico di un differenziale epicicloidale; la figura 9 è un diagramma schematico di un espansore dotato di un differenziale epicicloidale secondo una realizzazione esemplificativa; la figura 10 è un diagramma schematico di un espansore dotato di un differenziale interno secondo un'altra realizzazione esemplificativa; la figura 11 è un diagramma schematico di una centrale elettrica che utilizza un espansore dotato di un differenziale interno secondo una realizzazione esemplificativa;

la Figura 12 è un diagramma di flusso relativo a un metodo di assemblaggio di un compressore secondo una realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni diversi rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse. Le seguenti realizzazioni sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione a terminologia e struttura di un compressore multistadio assiale. Tuttavia, le realizzazioni da trattare in seguito non si limitano ai presenti sistemi, ma si applicano anche ad altri sistemi dotati di stadi multipli che richiedono velocità rotazionali diverse.

In tutta la descrizione dettagliata il riferimento a “una realizzazione" sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione è inclusa in almeno una realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto, l’utilizzo delle espressioni "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più realizzazioni secondo la modalità appropriata.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, si ha un espansore multistadio assiale nel quale uno o più stadi comprendono profili aerodinamici rotorici configurati per ruotare a una prima velocità angolare e i profili aerodinamici rotorici dei restanti stadi configurati per ruotare a una seconda velocità angolare, diversa dalla prima. L'espansore multistadio assiale è fornito di un differenziale per raggiungere le due diverse velocità angolari. A causa del percorso di flusso nell'espansore multistadio assiale (che sarà esaminato più avanti), il rotore di uno o più stadi può essere concentrico rispetto a un albero del rotore dei restanti stadi. In un'altra applicazione, il rotore dì uno o più stadi è in serie con il rotore dei restanti stadi. Di seguito vengono presentate le diverse realizzazioni riguardanti tali caratteristiche.

Secondo una realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 5, un compressore 40 è costituito da un alloggiamento 42 comprensivo di uno o più stadi (da R1 a R6). Uno o più stadi possono includere uno statore 44 collegato a un alloggiamento 42 e dotato di molteplici profili aerodinamici statorici 55 e un rotore 50 con un disco rotorico 46 di una pluralità di dischi rotorici 46 (o componenti del rotore) su cui vengono collocati i profili rotorici 54. Il rotore 50, i dischi del rotore 46 e i profili rotorici 54 sono configurati per ruotare intorno all'alloggiamento 42. Per questo motivo, viene collocato un meccanismo di supporto 48, ad esempio, ad entrambe le estremità del rotore 50. Il rotore 50 comprende almeno un albero (o due alberi come sarà esaminato più avanti) fornito di molteplici insiemi di dischi del rotore 46 da un qualsiasi sistema di ancoraggio (ad es. chiave meccanica, perno assiale, interferenze, etc. o una loro combinazione). Tuttavia, sono ammesse altre configurazioni del rotore, ad es. nell'espansore possono essere presenti più o meno stadi. L’alloggiamento 42 può essere dotato dì un'entrata 43 che riceve il mezzo da espandere e un'uscita 45 che emette il mezzo espanso.

La Figura 5 mostra anche un differenziale 52 collegato fra i profili aerodinamici rotorici 54 del primo stadio R1 e l'albero 50. Resta inteso che per questa realizzazione, il primo stadio R1 ruota a una prima velocità rotazionale, mentre i restanti stadi da R2 a R6 ruotano a una seconda velocità rotazionale. In un'applicazione, il differenziale può essere collocato sui dischi rotorici 46 per supportare i profili aerodinamici 54 o sostituirsi completamente ai dischi rotorici 46. In un'altra applicazione, il differenziale 52 può essere collocato fra i profili aerodinamici rotorici e quelli statorici oppure sotto i profili rotorici di un dato stadio. In un'altra applicazione, il differenziale è collegato all'albero e ai profili aerodinamici rotorici solo del primo stadio. In un'ulteriore applicazione tuttavia, il differenziale è collegato all'albero e ai profili aerodinamici rotorici del primo e del secondo stadio o del primo e del terzo.

Lo statore 44 ha i suoi insiemi di profili aerodinamici statorici 55 che corrispondono ai profili rotorici 54. Per chiarezza, resta inteso che i profili statorici 55 sono fissati all'alloggiamento 42, mentre i profili rotorici 54 sono configurati per ruotare attorno all'alloggiamento 42. I profili statorici 55 assieme ai profili rotorici 54 formano il percorso di flusso 56 per il fluido (ad es. gas caldi) che attraversa l'espansore 40 lungo la direzione Z di Figura 5.

La forma dei profili statorici e rotorici determina il percorso di flusso, come si evincerà più avanti. Resta inteso che un profilo aerodinamico 54 dell'insieme dei profili rotorici possiede due regioni. Una prima regione 54a è a contatto diretto con il flusso del fluido 56, mentre la seconda regione 54b è integrata fra le punte adiacenti dei profili statorici 55 degli stadi da R1 a R6. In altre parole, le fughe 58 del flusso del fluido 56 lungo l'espansore 40, e non dell'intero flusso 56, interagiscono con la regione 54b. La forma delle regioni 54a dei profili rotorici 54 e le corrispondenti regioni dei profili statorici 55 definiscono il flusso d'aria mostrato nelle Figure 6 e 7.

La Figura 6 mostra una prima realizzazione del percorso di flusso, appositamente progettato per condizioni di entrata ad alta pressione e flusso di massa variabile. Un espansore avente questo tipo di percorso di flusso è molto complesso (per cui i maggiori sforzi e costi richiedono materiali di qualità superiore) e necessita di un ingranaggio capace di lavorare con una coppia di torsione elevata. Questa configurazione riduce l'efficienza espansiva complessiva e aumenta la complessità e i costi (capitale e costi di manutenzione elevati per questa tipologia di ingranaggio), mentre potenzialmente riduce l'operatività e l'affidabilità della turbomacchina.

La Figura 7 mostra una seconda realizzazione del percorso di flusso, appositamente progettato per condizioni di entrata a "basso flusso". Un espansore avente questo tipo di percorso di flusso può non richiedere l'uso di un ingranaggio, ma riduce l'efficienza aerodinamica mantenendo un'altezza ragionevole nei primi stadi, al fine di garantire la producibilità e minori perdite dovute ai secondi flussi.

Secondo una realizzazione esemplificativa, le Figure 6 e 7 mostrano anche il differenziale 52 collocato ad esempio sui profili rotorici 54 del primo stadio R1. Il differenziale può essere configurato per far operare i profili rotorici corrispondenti a una velocità rotazionale minore o maggiore rispetto alla velocità rotazionale dei profili rotorici 54 dei restanti stadi da R2 a R6. Ad esempio, l'espansore mostrato in Figura 6 è configurato in modo che i profili rotorici 54 del primo stadio R1 siano alimentati a rpm maggiori (giri al minuto) rispetto ai flussi d'aria rotorici dei restanti stadi da R2 a R6, mentre la Figura 7 illustra un espansore configurato in modo tale che i flussi d'aria rotorici del primo stadio R1 siano alimentati a rpm maggiori rispetto ai flussi d'aria rotorici dei restanti stadi. Le Figure 6 e 7 mostrano anche il percorso di flusso 56.

Viene ora presentato un esempio di ingranaggio 52 che può essere utilizzato nell'espansore 40. Tale ingranaggio è schematizzato in Figura 8 come differenziale epicicloidale. Gli esperti deH’arte ben comprendono che è possibile utilizzare altre tipologie di differenziale.

Un esempio di ingranaggio epicicloidale o satellite è il sistema di ingranaggi 80, in Figura 8, che comprende uno o più ingranaggi esterni 82, o ingranaggi satellite, rotanti attorno a un ingranaggio centrale, o ruota planetaria 84. Gli ingranaggi satellite 82 possono essere montati su un braccio mobile 86 o un elemento portante che può ruotare attorno alla ruota planetaria 84. L'ingranaggio centrale 84 è collegato a un albero 88, che nel contesto di Figura 5 può essere l'albero 50 degli stadi da R2 a R6. L'ingranaggio epicicloidale 80 può anche incorporare l'utilizzo di un ingranaggio dell'anello esterno 90 o annulo, che è accoppiato agli ingranaggi satelliti 82. A seconda della configurazione e del progetto dell'espansore, i percorsi d'aria rotorici di almeno uno stadio possono essere direttamente collegati all'ingranaggio dell'anello esterno 90.

Pertanto, con tale disposizione, i profili aerodinamici rotorici 54 del primo stadio R1 sono in grado di ruotare a una velocità angolare diversa dalle velocità angolari dei profili aerodinamici rotorici degli stadi da R2 a R6 e dell'albero 50 su cui sono collocati i restanti profili aerodinamici rotorici. Inoltre, l'albero può essere direttamente collegato all'albero dell'unità di trasmissione (generatore di potenza, compressore, pompa, etc.) senza l'esigenza di un differenziale esterno. Questa configurazione migliora l'operatività dell'espansore come espansore unico, senza la necessità di un espansore a due unità o di un differenziale esterno per le stesse condizioni di espansione. Inoltre, questa configurazione può gestire meglio i flussi variabili, ridurre i costi e il peso complessivi del treno e consentire di impostare in modo indipendente la velocità rotazionale dei profili rotorici del primo ingranaggio. Quindi, a seconda del rapporto fra l'ingranaggio satellite e l'ingranaggio centrale, è possibile regolare la velocità dei profili rotorici dell'ingranaggio in maniera indipendente.

Gli assi di tutti gli ingranaggi sono di solito paralleli, ma in casi speciali possono essere collocati ad angolo, introducendo elementi di coppia conica. Inoltre, gli assi di planetario, elemento portante satellite e annulo sono di norma concentrici. Tale configurazione consente a un espansore a basso flusso di applicare una velocità di rotazione maggiore per quei profili aerodinamici rotorici collegati alla ruota planetaria, mentre i restanti profili rotorici vengono mantenuti a un raggio minore. Pertanto, è possibile utilizzare profili aerodinamici più elevati senza dover aumentare il carico aerodinamico. Per gli espansori non a basso flusso, il differenziale consente ai profili rotorici collegati alla ruota planetaria di ruotare a velocità minore e mantenere un coefficiente di carico ragionevole con minore calo di entalpia e maggiore potenza prodotta dall'uomo percorso d'aria del rotore, caratteristiche solitamente più efficienti che migliorano il rendimento complessivo della macchina.

I primi profili rotorici dotati del differenziale 80 descritto in Figura 8 vengono implementati, secondo una realizzazione esemplificativa, nell'espansore 100 di Figura 9. L'espansore 100 è simile all'espansore 40 di Figura 4, ma presenta il differenziale epicicloidale 80 collegato all'albero 50 e ai profili rotorici 54 del primo stadio R1. Resta inteso che i profili aerodinamici rotorici degli stadi da R2 a R6 sono fissati all'albero 50. Tuttavia, i profili aerodinamici rotorici del primo stadio R1 sono rotativamente collegati all'albero 50 mediante l'ingranaggio dell'anello esterno 90, la ruota planetaria 82 e l'ingranaggio satellite 84. Pertanto, i profili aerodinamici del primo stadio R1 ruotano a una prima velocità angolare ω1 e i profili aerodinamici degli stadi da R2 a R6 ruotano a una seconda velocità angolare ω2 diversa da ω1. Altri differenziali interni possono essere impiegati per eseguire la diversa rotazione di uno stadio rispetto agli altri stadi all'interno di un espansore multistadio singolo. In un'applicazione, è possibile utilizzare tanti differenziali epicicloidali all'interno di un espansore multistadio assiale.

Secondo una realizzazione esemplificativa illustrata in Figura 10, un espansore multistadio assiale 102 è costituito da molteplici stadi di cui vengono mostrati solo gli stadi R1 e R2. Lo stadio R1 ha i profili aerodinamici rotorici 54 collegati a una ruota planetaria 82 collegata al rotore 50. Tuttavia, una parte 104 del disco rotorico 60 si estende lungo il rotore 50 ed è supportata a un'estremità opposta all'estremità collegata alla ruota planetaria 82 mediante una o più ruote 106 o altri elementi rotanti.

Viene ora discussa un'applicazione di un nuovo espansore in riferimento alla Figura 11 . La Figura 11 illustra una centrale elettrica adiabatica per l'immagazzinamento di energia di aria compressa 110. Questo tipo di centrale elettrica 110 è costituita da un compressore 112 configurato per fornire aria compressa a una camera di combustione 114. L'aria compressa e il carburante presenti nella camera di combustione vengono bruciati e i gas caldi che ne risultano si espandono in tutto l'espansore 116. 1 gas raffreddati vengono poi fatti passare attraverso un secondo espansore 118 per recuperare ulteriore energìa. Il flusso in uscita dal secondo espansore passa attraverso un dispositivo di conservazione di energia termica 120 e viene mantenuto sotto pressione all'interno di un dispositivo di immagazzinamento del gas 122. Quando necessario, i gas provenienti dal dispositivo per l'Immagazzinamento del gas.122 vengono inviati a un espansore multistadio assiale 124 attraverso il dispositivo per la conservazione dell'energia termica 120 nel quale il gas viene riscaldato mediante l'energia termica precedentemente conservata nel dispositivo 120. L'espansore 124 alimenta, ad esempio, un generatore di potenza o un compressore centrifugo 126. Tuttavia, la velocità di rotazione dell'espansore 124 può non essere stabilita liberamente poiché la velocità di rotazione è vincolata alle particolari caratteristiche della macchina condotta 126, con o senza differenziale Tuttavia, utilizzando il nuovo espansore illustrato nelle Figure da 4 a 10 (un espansore multistadio assiale dotato di differenziale interno), è possibile attribuire agli stadi velocità diverse, ad es. 5000 rpm al primo R1 e 3000 rpm ai restanti stadi da R2 a R6. Utlizzando questo nuovo espansore, l'albero degli stadi da R2 a R6 può essere direttamente collegato alla macchina condotta 126 senza un differenziale esterno. Secondo la realizzazione esemplificativa mostrata in Figura 12, si ha un metodo di assemblaggio di un espansore multistadio assiale. Il metodo comprende un passaggio 1200 per la predisposizione di una molteplicità di stadi comprensivi di uno statore collegato a un alloggiamento e dotato di molteplici profili statorici e di un rotore configurato per ruotare attorno allo statore munito di molteplici profili rotorici; un passaggio 1202 per il collegamento dei profili rotorici di almeno uno stadio a un differenziale in modo che i suddetti profili ruotino a una velocità diversa da quella dei profili rotorici degli altri stadi; un passaggio 1204 per l'installazione di un meccanismo di supporto da collegare all'alloggiamento; e un passaggio 1206 per il collegamento rotante del rotore al meccanismo di supporto. Le realizzazioni esemplificative divulgate forniscono un espansore, un sistema e un metodo per l'espansione di un gas attraverso molteplici stadi aventi velocità angolari diverse. Resta inteso che la presente descrizione non intende limitare l'invenzione. Al contrario, le realizzazioni esemplificative includono alternative, modifiche e soluzioni equivalenti rientranti nello spirito e nel campo di applicazione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni allegate. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di consentire una comprensione esauriente dell'invenzione rivendicata. Tuttavia, chiunque sia esperto in materia comprende che le diverse realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli.

Sebbene le caratteristiche ed elementi delle attuali forme di realizzazione esemplificative siano descritte nelle forme di realizzazione in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o elemento può essere utilizzato singolarmente senza le altre caratteristiche ed elementi delle realizzazioni oppure in varie combinazioni, con o senza altre caratteristiche ed elementi ivi descritti.

La presente descrizione scritta utilizza degli esempi relativi all'oggetto divulgato per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema nonché l'esecuzione di qualsiasi metodo incluso. L'ambito brevettabile dell'oggetto del presente documento è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi noti agli esperti in materia. Questi altri esempi rientrano nell'ambito delle rivendicazioni.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un espansore multistadio assiale comprensivo di: un alloggiamento; una pluralità di stadi, in cui ogni stadio comprende: uno statore collegato all'alloggiamento e dotato di molteplici profili aerodinamici statorici, uno statore configurato per ruotare attorno allo statore e dotato di molteplici profili aerodinamici statorici, un meccanismo di supporto collegato all'alloggiamento e configurato come supporto rotante del rotore, laddove i profili aerodinamici rotorici di almeno uno dei molteplici stadi sono configurati per ruotare a velocità diverse da quelle dei profili rotorici degli altri stadi e lo statore, il rotore e il meccanismo di supporto della pluralità di stadi sono forniti all'interno dell'alloggiamento. 2. L'espansore della Rivendicazione 1, inoltre comprensivo di: un differenziale previsto all'interno dell'alloggiamento e collegato fra i profili aerodinamici rotorici di almeno uno degli stadi e un albero dell'espansore. 3. L'espansore della Rivendicazione 2, in cui la testa da taglio comprende: 4. L'espansore della Rivendicazione 3, in cui il differenziale epicicloidale comprende: un ingranaggio centrale collegato all'albero, il quale è configurato per ruotare unitamente ai componenti del rotore della pluralità di stadi tranne almeno uno stadio; un ingranaggio satellite collegato all'ingranaggio centrale; e un ingranaggio dell'anello esterno rotativamente connesso all'ingranaggio satellite e configurato per ruotare i profili aerodinamici rotorici di almeno uno stadio, mentre l'albero è configurato per ruotare i profili aerodinamici rotorici degli altri stadi. 5. L'espansore della Rivendicazione 1, laddove l'inclinazione del terminale a punta di uno dei profili rotorici aumenta lungo un asse longitudinale del rotore. 6. L'espansore della Rivendicazione 1, inoltre comprensivo di: un generatore collegato a un albero dell'espansore e configurato per generare energia elettrica o un compressore collegato all'albero o a una pompa collegata all'albero. 7. L'espansore della Rivendicazione 1, inoltre comprensivo di: un differenziale epicicloidale previsto all'interno dell'alloggiamento e collegato fra i profili aerodinamici rotorici di almeno uno degli stadi e un albero dell'espansore; e mezzi rotanti collegati al rotore di almeno uno stadio e configurati per supportare rotativamente il rotore di almeno uno stadio, in fase rotativa attorno all'albero. 8. Un sistema per l'espansione di un gas comprensivo di: un espansore multistadio assiale configurato per ricevere il gas ad alta temperatura e/o alta pressione, una macchina condotta collegata all'espansore multistadio assiale e configurata per essere condotta dall'espansore multistadio assiale, laddove l'espansore multistadio assiale comprende: un alloggiamento; una pluralità di stadi, in cui ogni stadio comprende: uno statore collegato all'alloggiamento e dotato di molteplici profili aerodinamici statorici, un rotore configurato per ruotare attorno allo statore e dotato di molteplici profili aerodinamici rotorici, un meccanismo di supporto collegato all'alloggiamento e configurato come supporto rotante del rotore, laddove i profili aerodinamici rotorici di almeno uno dei molteplici stadi sono configurati per ruotare a velocità diverse da quelle dei profili rotorici degli altri stadi e lo statore, il rotore e il meccanismo di supporto della pluralità di stadi sono forniti all'interno dell'alloggiamento. 9. Un sistema per la generazione di energia comprensivo di: un compressore configurato per comprimere aria; una camera di combustione fluidamente collegata al compressore e configurata per ricevere aria compressa e carburante e bruciare una miscela di aria compressa e carburante; un espansore configurato per ricevere gas caldi dalla camera di combustione; un dispositivo di conservazione dell'energia termica per immagazzinare l'energia termica dei gas ricevuti dall'espansore; un dispositivo di immagazzinamento del gas in comunicazione fluida con il dispositivo per la conservazione di energia termica e configurato per immagazzinare i gas raffreddati; un espansore multistadio assiale configurato per ricevere i gas dal dispositivo di immagazzinamento del gas dopo essere stato riscaldato dal dispositivo di conservazione dell'energia termica; e una macchina condotta collegata all'espansore multistadio assiale e configurata per essere condotta dall'espansore multistadio assiale, laddove l'espansore multistadio assiale è costituito dai profili aerodinamici rotorici di almeno uno dei molteplici stadi configurati per ruotare a velocità diverse da quelle dei profili rotorici degli altri stadi. 10. Un metodo di assemblaggio di un espansore multistadio assiale comprensivo di: predisposizione di una pluralità di stadi, in cui ogni stadio è costituito da uno statore collegato a un alloggiamento munito di molteplici profili statorici e configurato per ruotare attorno allo statore dotato di molteplici profili statorici; collegamento dei profili aerodinamici rotorici di almeno uno stadio a un differenziale in modo tale che i profili aerodinamici rotorici ruotino a velocità diverse da quelle dei profili rotorici degli altri stadi; installazione di un meccanismo di supporto collegato all'alloggiamento; e collegamento rotativo del rotore al meccanismo di supporto. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. An axial multistage expander, comprising: a casing; a plurality of stages, a stage including, a stator part connected to the casing and having plural statoric airfoils, and a rotor part configured to rotate relative to the stator part and having plural rotoric airfoils; and a support mechanism connected to the casing and configured to rotatably support the rotor part, wherein rotoric airfoils of at least one stage of the plurality of stages are configured to rotate with a speed different from rotoric airfoils of the other stages, and the stator part, the rotor part and the support mechanism of the plurality of stages are provided inside the casing.
2. The expander of Claim 1 , further comprising: a gearbox connected between the rotoric airfoils of the at least one stage and a shaft of the expander, the gearbox being provided inside the casing.
3. The expander of Claim 2, wherein the gearbox is epicyclic.
4. The expander of Claim 3, wherein the epicyclic gearbox comprises: a central gear connected to the shaft, the shaft being configured to rotate together with rotor parts of the plurality of stages except the at least one stage; a planet gear rotatably connected to the central gear; and an outer ring gear rotatably connected to the planet gear and configured to rotate the rotoric airfoils of the at least one stage while the shaft is configured to rotate the rotoric airfoils of the other stages.
5. The expander of Claim 1, wherein an end tip slope of the plural rotoric airfoils increases along a longitudinal axis of the rotor part.
6. The expander of Claim 1 , further comprising: a generator connected to a shaft of the expander and configured to generate electrical power or a compressor connected to the shaft or a pump connected to the shaft.
7. The expander of Claim 1 , further comprising: an epicyclic gearbox connected between the rotoric airfoils of the at least one stage and a shaft of the expander, the gearbox being provided inside the casing; and rotating means attached to the rotor part of the at least one stage and configured to rotately support the rotor part of the at least one stage when rotating relative to the shaft.
8. A system for expanding a gas, the system comprising: an axial multistage expander configured to receive the gas at high temperature and/or high pressure; and a driven machine connected to the axial multistage expander and configured to be driven by the axial multistage expander, wherein the axial multistage expander includes, a casing; a plurality of stages, a stage including, a stator part connected to the casing and having plural statoric airfoils, and a rotor part configured to rotate relative to the stator part and having plural rotoric airfoils; a support mechanism connected to the casing and configured to rotatably support the rotor part, wherein rotoric airfoils of at least one stage of the plurality of stages are configured to rotate with a speed different from rotoric airfoils of the other stages, and the stator part, the rotor part and the support mechanism of the plurality of stages are provided inside the casing.
9. A system for generating energy, the system comprising: a compressor configured to compress air; a combustion chamber fluidly connected to the compressor and configured to receive the compressed air and fuel and to burn a mixture of compressed air and fuel; an expander configured to receive hot gases from the combustion chamber; a thermal energy storage device configured to store thermal energy of the gases received from the expander; a gas storage device in fluid communication with the thermal energy storage device and configured to store the cooled gases; an axial multistage expander configured to receive the gases from the gas storage device after being heated by the thermal energy storage device; and a driven machine connected to the axial multistage expander and configured to be driven by the axial multistage expander, wherein the axial multistage expander includes rotoric airfoils of at least one stage of a plurality of stages that are configured to rotate with a speed different from rotoric airfoils of other stages.
10. A method for assembling an axial multistage expander, the method comprising: providing a plurality of stages, the stages including a stator part connected to a casing and having plural statoric airfoils and a rotor part configured to rotate relative to the stator part and having plural rotoric airfoils; connecting the rotoric airfoils of at least one stage to a gearbox such that the rotoric airfoils rotate with a speed different from the rotoric airfoils of the other stages; installing a support mechanism to be attached to the casing; and rotatably attaching the rotor part to the support mechanism.