ITCO20110038A1

ITCO20110038A1 - Sistema di attuazione integrato in un compressore

Info

Publication number: ITCO20110038A1
Application number: IT000038A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Iurisci
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2013-03-29
Also published as: EP2761139A1; US20140230644A1; WO2013045514A1; BR112014005675A2; JP2014528044A; CA2848815A1; KR20140072062A; MX2014003882A; AU2012314496A1; CN103842620A; RU2014110118A

Description

TITLE / TITOLO :

COMPRESSOR INTEGRATED ACTUATION SYSTEM / SISTEMA DI ATTUAZIONE INTEGRATO IN UN COMPRESSORE

CAMPO TECNICO

Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a metodi e dispositivi e, più particolarmente, a meccanismi e tecniche atti ad azionare uno o più sistemi mobili di una turbo macchina.

ARTE NOTA

Una turbomacchina generalmente è dotata di componenti rotanti interni, per esempio di solito il distributore in ingresso, regolabili in base alle condizioni operative della turbomacchina, In un sistema automatico, la regolazione delle parti mobili richiede l'impiego dì un attuatore collegato a una leva a sua volta connessa alle parti mobili. Nelle soluzioni disponibili per gli attuatori, come illustrato nella FIG. 1 riguardante l'arte nota, l'attuatore 102 è montato all'esterno della turbo macchina e il collegamento meccanico alla leva deve passare attraverso il corpo della turbo macchina 108. Questo tipo di progettazione mostra una delle aree problematiche che la pressione del mercato spinge a modificare, la flangia di tenuta 106 e 108, costosa e complicata, necessaria al collegamento tra il braccio attuatore e la leva, e passante attraverso il corpo della turbo macchina. In un altro aspetto dell'attuale tecnologia di progetto, l'attuatore 102 deve disporre di una fonte di energia che ne azioni lo spostamento. Per esempio, l'attuatore 102 può essere alimentato elettricamente, idraulicamente o pneumaticamente, ma, qualunque sia la fonte di energia, sono necessari dei cavi, delle tubazioni o altre linee che colleghino la fonte di energia all'attuatore 102 installato sulla turbomacchina. Un ulteriore problema è dato dal fatto che la fonte esterna di energia costituisce un altro possibile elemento di rischio di fermata per la turbo macchina, dovuto alla mancanza del mezzo che alimenta l'attuatore 102.

Un altro problema legato agli attuatori 102 montati esternamente sulla turbo macchina è il rischio di perdite del gas di processo dalle tenute 106 e 108, dove il braccio attuatore 102 passa attraverso il corpo della turbo macchina 108, o direttamente dall'attuatore 102. In alcuni casi, il gas di processo può essere infiammabile, tossico, o trovarsi a temperature elevatissime, eccetera, provocando problemi significativi in caso di rottura della tenuta e conseguente scarico del gas di processo nell'atmosfera. Inoltre, nei casi in cui l'attuatore fuoriesce dal corpo della turbo macchina 108, vi è il rischio che l'attuatore 102 entri in contatto con altre attrezzature subendo dei danni, provocando un guasto alla turbo macchina e uno scarico catastrofico di gas nell'atmosfera.

Di conseguenza sarebbe auspicabile prevedere dispositivi e metodi che evitassero gli inconvenienti e i problemi precedentemente descritti.

RIEPILOGO

Secondo una realizzazione esemplificativa, un corpo attuatore comprende un tamburo bilanciatore inserito entro una superficie del corpo dell'attuatore, un primo collegamento al corpo dell'attuatore configurato in modo da permettere a un fluido di entrare nel corpo dell'attuatore esercitando una prima forza sul tamburo bilanciatore, una molla di recupero configurata in modo da esercitare una seconda forza sul tamburo bilanciatore e un secondo collegamento al corpo dell'attuatore configurato in modo da permettere al fluido di uscire dal corpo dell'attuatore. In un aspetto della realizzazione esemplificativa, una barra di collegamento è connessa al tamburo bilanciatore. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa, una valvola di regolazione è posta entro un condotto associato al primo collegamento e controlla la portata del fluido verso il primo collegamento.

Secondo un'ulteriore realizzazione esemplificativa, un involucro racchiude una turbo macchina e un attuatore integrato al suo interno senza soluzione di continuità, configurato per regolare l'ingresso di un fluido. La realizzazione esemplificativa prosegue con un attuatore comprendente un corpo attuatore che include un tamburo bilanciatore, un primo collegamento a detto corpo dell'attuatore configurato in modo da permettere a un fluido di entrare nel corpo dell'attuatore esercitando una prima forza sul tamburo bilanciatore, una molla di recupero configurata in modo da esercitare una seconda forza sul tamburo bilanciatore e un secondo collegamento al corpo dell'attuatore configurato in modo da permettere al fluido di uscire dal corpo dell'attuatore. Proseguendo con la realizzazione esemplificativa, un'estremità di una barra attuatrice è collegata al tamburo bilanciatore, mentre l'altra estremità è collegata a una leva di un anello attuatore In un successivo aspetto della realizzazione esemplificativa, una valvola di regolazione è posta entro un condotto associato al primo collegamento e controlla la portata del fluido verso il primo collegamento.

Secondo una ulteriore realizzazione esemplificativa, esiste un metodo per integrare senza soluzione di continuità un attuatore entro una turbomacchina. Il metodo comprende la costruzione del corpo di una turbo macchina in modo da integrare senza soluzione di continuità il corpo di un attuatore. La successiva realizzazione esemplificativa comprende un tamburo bilanciatore inserito entro il corpo dell'attuatore. Proseguendo con la realizzazione esemplificativa, è presente una molla di recupero che applica una prima forza al tamburo bilanciatore. La realizzazione esemplificativa prosegue con il collegamento di una barra attuatrice al tamburo bilanciatore e a una leva associata alla turbo macchina in modo che la barra di attuazione si muova in modo lineare nella direzione imposta dal tamburo bilanciatore. Proseguendo con la rappresentazione esemplificativa, è presente la deviazione di una parte del fluido di processo della turbo macchina attraverso una valvola di regolazione ed entro il corpo dell'attuatore in modo da applicare una seconda forza al tamburo bilanciatore, opposto alla prima forza.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni tecnici allegati nella descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

La Figura 1 rappresenta una realizzazione esemplificativa della turbo macchina secondo l'arte nota, con un attuatore collegato a una flangia esterna;

La Figura 2 rappresenta una realizzazione esemplificativa della turbo macchina con un attuatore integrato; e

la Figura 3 è un diagramma di flusso che illustra le fasi di funzionamento di un attuatore integrato entro una turbomacchina, secondo una realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti 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 alla terminologia e alla struttura di turbomacchine comprendenti compressori ed espansori, ma non limitatamente ad essi.

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 il ricorso all'espressione "in una forma di realizzazione" in diversi punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più realizzazioni secondo la modalità appropriata.

La Figura 2 rappresenta una realizzazione esemplificativa 200 della turbo macchina con un attuatore integrato 204. In un aspetto della realizzazione esemplificativa, il corpo della turbo macchina 202 e l'attuatore integrato costituiscono un involucro monocomponente della turbo macchina, senza la necessità di flange di collegamento. Si noti che nella realizzazione esemplificativa l'attuatore integrato 204 può apparire come un'appendice del corpo della turbo macchina, tuttavia è collegato ad essa senza soluzione di continuità e senza alcun bisogno di guarnizioni di tenuta. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa, l'attuatore integrato 204 può essere incorporato entro la turbomacchina senza alcun segno visibile della sua presenza.

Proseguendo nella realizzazione esemplificativa, l'attuatore integrato è alimentato dalla differenza di pressione nel fluido di lavoro che si trova nella turbomacchina. Per esempio, un compressore con una differenza di pressione tra ingresso e uscita del gas può alimentare l'attuatore integrato 204. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa, la turbo macchina con attuatore integrato 204 comprende una barra attuatrice 206, un condotto di alimentazione del fluido che fornisce l'energia 208, una valvola di regolazione della pressione 210, una molla di recupero 212, tenute a labirinto 214 e un tamburo bilanciatore 218. Si noti che nella realizzazione esemplificativa la tubazione di alimentazione del fluido che fornisce l'energia 208 è collegata a una posizione di alta pressione P2 sulla turbomacchina, attraverso la valvola di regolazione della pressione 210, e poi all'attuatore 204 posto su di un lato del tamburo bilanciatore 218. Si noti anche che a causa delle tenute a labirinto 214 sul tamburo bilanciatore 218, il fluido che fornisce l'energia può trafilare attorno al tamburo bilanciatore 218 e lungo la barra attuatrice 206 ritornando in una posizione a bassa pressione P1 sulla turbomacchina. In un ulteriore aspetto della realizzazione esemplificativa, la pressione P1 del fluido che fornisce l'energia può essere ridotta a PB, a valle della valvola regolatrice di pressione 210, in base alle impostazioni della valvola regolatrice della pressione 210.

Successivamente, nella realizzazione esemplificativa, la barra attuatrice 206 è collegata al tamburo bilanciatore 218 e si muove linearmente in direzione del tamburo bilanciatore 218 mentre esso si sposta. In un ulteriore aspetto della realizzazione esemplificativa, il tamburo bilanciatore 218 è bilanciato tra la forza del fluido che apporta energia che agisce su di un suo lato sottoposto alla pressione PB del fluido stesso e alla forza agente sul lato opposto del tamburo bilanciatore 218, esercitata dalla molla di recupero 212. Si noti nella realizzazione esemplificativa che la molla di recupero può anche essere collegata allo stesso lato del tamburo bilanciatore 218 sul quale agisce la forza esercitata dal fluido che apporta energia, ma che esercita sulla molla di recupero una forza che agisce in direzione opposta a quella del fluido stesso. Continuando nella realizzazione esemplificativa, la molla di recupero 212 riporta il tamburo bilanciatore 218 e la barra attuatrice 206 ad esso collegata in una posizione iniziale nella quale la forza esercitata dal fluido che apporta energia viene annullata per effetto della chiusura della valvola di regolazione 210 o dallo spegnimento della turbomacchina.

Conformemente a ciò, la realizzazione esemplificativa descrive il controllo della posizione lineare della barra attuatrice 206 attraverso il controllo della posizione della valvola di regolazione 210. La barra attuatrice 206 può essere collegata a qualsiasi leva in grado di accettare per il suo funzionamento spostamenti lineari nella direzione del tamburo bilanciatore 218. Per esempio, la barra attuatrice 206 può essere collegata a una leva che aziona delle palettature poste sull'anello attuatore di un compressore 216 per ottimizzarne le prestazioni.

Un metodo esemplificativo per l'integrazione di un attuatore su una turbo macchina viene ora discusso in riferimento alla figura 3. La Figura 3 illustra i metodi esemplificativi per l'integrazione di un attuatore entro una turbo macchina in grado di funzionare grazie al gradiente di pressione di un fluido di processo attraverso la turbomacchina. La realizzazione esemplificativa del metodo comprende un passo 302 comprendente l'integrazione di un attuatore nell'involucro della turbo macchina. In un aspetto della realizzazione esemplificativa, l'attuatore appare come un'appendice del corpo della turbo macchina, tuttavia è collegato ad essa senza soluzione di continuità e senza alcun bisogno di guarnizioni di tenuta poste tra l'attuatore e la turbo macchina. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa, l'attuatore è completamente incorporato nella turbomacchina senza alcun segno visibile della sua presenza sul corpo della macchina stessa.

IL successivo passo 304 della realizzazione esemplificativa comprende un tamburo bilanciatore inserito entro una cavità del corpo dell'attuatore. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa del metodo, un sistema di tenuta è posto tra una superficie esterna del tamburo bilanciatore e una superficie interna del corpo dell’attuatore. Si noti che nella realizzazione esemplificativa del metodo il sistema di tenuta può essere costituito, ma senza che ciò costituisca una limitazione, da una tenuta a labirinto. Si noti ancora che la tenuta a labirinto, mentre restringe il passaggio del liquido attorno al tamburo bilanciatore, permette al fluido di trafilare e scorrere attorno ad esso.

Proseguendo con il passo 306 della realizzazione del metodo esemplificativo, una molla di recupero è inserita nel corpo dell'attuatore e posta nelle adiacenze del tamburo bilanciatore stesso in modo tale che la molla di recupero applichi una forza sul tamburo bilanciatore tale da spostarlo verso un'estremità del corpo dell'attuatore. Si noti, nella realizzazione esemplificativa del metodo, che la molla di recupero può funzionare esercitando una forza di compressione o espansione sul tamburo bilanciatore, in funzione del tipo di molla di recupero e del suo collegamento al tamburo stesso. In un altro aspetto aspetto della realizzazione esemplificativa del metodo, indipendentemente dal tipo di molla e dal tipo di collegamento, quando funziona da sola, la molla di recupero sposta il tamburo bilanciatore in una posizione iniziale della turbomacchina.

L'aspetto successivo 308 della realizzazione esemplificativa di metodo prosegue con una barra attuatrice connessa al tamburo bilanciatore. Si noti che nella realizzazione esemplificativa, la barra attuatrice si sposta linearmente in direzione del moto del tamburo bilanciatore. In un altro aspetto della realizzazione esemplificativa, il fluido di processo che trafila nella tenuta a labirinto e attorno al tamburo bilanciatore segue il percorso della barra attuatrice tornando ad una zona di minor pressione della macchina. Si noti anche che nella realizzazione esemplificativa, la barra attuatrice funge da punto di collegamento per azionare in modo controllato la turbomacchina.

Proseguendo con il passo 310, la realizzazione del metodo esemplificativo fa deviare una parte del fluido a maggior pressione attraverso la tubazione collegata al corpo dell'attuatore e contenente una valvola di regolazione. Nella realizzazione del metodo esemplificativo il fluido di processo esercita grazie alla sua pressione una forza sulla superficie del tamburo bilanciatore, in una direzione opposta a quella della forza esercitata sul tamburo bilanciatore dalla molla di recupero. Continuando con la realizzazione esemplificativa, il valore della forza esercitata dalla pressione del fluido di processo e il relativo movimento della barra attuatrice sono controllati dall'apertura e dalla chiusura della valvola di regolazione in base allo spostamento desiderato. Per esempio, si può massimizzare l'uscita di un compressore collegando la barra attuatrice a una leva che controlla le palette distributrici su un anello attuatore e regolando la valvola in modo da posizionare il distributore in modo da ottimizzare l'uscita del compressore. Si noti anche che nella realizzazione esemplificativa le tenute a labirinto relative al tamburo bilanciatore permettono al fluido di processo di trafilare attorno al tamburo stesso e tornare verso una zona della turbo macchina a minor pressione. In tal modo il fluido di processo può scorrere attraverso l'attuatore integrato, permettendogli di tornare automaticamente nella posizione iniziale quando la turbo macchina viene spenta.

I metodi esemplificativi divulgati illustrano un dispositivo e un metodo per l'integrazione e il funzionamento di un attuatore entro una turbomacchina e in base al gradiente di pressione di un fluido attraverso la turbomacchina. 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 varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti realizzazioni esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche ed elementi divulgati dal presente documento.

La presente descrizione scritta utilizza degli esempi relativi all'oggetto divulgato, inclusa la modalità migliore, 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. Il campo di applicazione brevettabile dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni e può includere altri esempi che possono venire in mente agli esperti in materia. Tali altri esempi s'intenderanno compresi nel campo di applicazione delle rivendicazioni qualora presentassero elementi strutturali che non differiscono dal testo letterale delle rivendicazioni o qualora includessero elementi strutturali equivalenti nel testo letterale delle rivendicazioni.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI: 1. Un apparto attuatore, comprendente: un corpo attuatore, comprendente: un tamburo bilanciatore adattato entro una superficie interna di detto corpo attuatore; un primo collegamento su detto corpo attuatore configurato in modo da permettere l'ingresso di un fluido in tale corpo attuatore esercitando una prima pressione contro detto tamburo bilanciatore; una molla di recupero configurata in modo da esercitare una seconda forza contro un primo lato di detto tamburo bilanciatore; e una seconda connessione di detto corpo attuatore configurata in modo da permettere a detto fluido di uscire dal detto corpo del dispositivo attuatore, una barra attuatrice collegata a detto tamburo bilanciatore; e una valvola di regolazione posta entro un condotto associato al detto primo collegamento, che controlla la portata del detto fluido verso il detto primo collegamento. 2. L'apparato della rivendicazione 1 , in cui detto corpo attuatore comprende inoltre una tenuta comprendente a sua volta una tenuta a labirinto, configurata tra una superficie esterna di detto tamburo bilanciatore e una superficie interna di detto corpo attuatore. 3. L'attuatore della rivendicazione 1 , in cui detta molla di recupero riporta detto tamburo bilanciatore a una posizione iniziale quando detta valvola di regolazione viene chiusa. 4. L'attuatore della rivendicazione 1 , in cui detta barra attuatrice si sposta in una direzione lineare relativa a detto spostamento lineare del detto tamburo bilanciatore. 5. L'apparato della rivendicazione 1 , in cui detta barra attuatrice si estende all'esterno di detto corpo attuatore attraverso detto secondo collegamento. 6. L'apparto della rivendicazione 1 , in cui detto fluido in detto primo collegamento si trova a una pressione maggiore rispetto al detto fluido in detto secondo collegamento. 7. L'attuato re della rivendicazione 2, in cui detta tenuta a labirinto permette a detto fluido di trafilare attorno a detto tamburo di bilanciamento. 8. L'apparato della rivendicazione 1, in cui detta molla esercita detta seconda forza su di un lato opposto di detto tamburo bilanciatore da detto primo lato e in direzione opposta. 9. Un apparato, comprensivo di: un corpo che racchiude una turbomacchina; e un attuatore integrato senza soluzione di continuità entro tale corpo e configurato in modo da regolare l'ingresso di un fluido, in cui detto attuatore comprende: un corpo attuatore, comprendente: un tamburo bilanciatore adattato entro una superficie interna di detto corpo attuatore; un primo collegamento su detto corpo attuatore configurato in modo da permettere l'ingresso di un fluido in tale corpo attuatore esercitando una prima pressione contro detto tamburo bilanciatore; una molla di recupero configurata in modo da esercitare una seconda forza contro detto tamburo bilanciatore; e una seconda connessione di detto corpo attuatore configurata in modo da permettere a detto fluido di uscire dal detto corpo del dispositivo attuatore, una barra attuatrice collegata a detto tamburo bilanciatore e a una leva associata con detta turbo macchina; e una valvola di regolazione posta entro un condotto associato al detto primo collegamento, che controlla la portata del detto fluido verso il detto primo collegamento. 10. Un metodo per l'integrazione di un attuatore entro una turbomacchina, detto metodo comprendente: la costruzione del corpo di una turbo macchina in modo da integrare il corpo di un attuatore; l'inserimento di un tamburo bilanciatore, adattato a detto corpo attuatore e posto all'interno di esso; la configurazione di una molla di recupero in modo da esercitare una prima forza contro detto tamburo bilanciatore; il collegamento di una barra attuatrice a detto tamburo bilanciatore, per lo spostamento associato allo spostamento di detto tamburo bilanciatore, e a una leva associata con detta turbo macchina; e la deviazione di una parte del fluido di processo di detta turbo macchina attraverso una valvola di regolazione ed entro il detto corpo dell'attuatore in modo da applicare una seconda forza al tamburo bilanciatore, opposto alla prima forza, e il controllo di una posizione di detta barra attuatrice.. CLAIMS / RIVENCAZIONI: 1 . An actuator apparatus, comprising: an actuator casing comprising: a balance drum fitted to an inside surface of said actuator casing; a first connection on said actuator casing configured to allow a fluid to enter said actuator casing and exert a first force on said balance drum; a recovery spring configured to exert a second force on a first side of said balance drum; and a second connection on said actuator casing configured to allow said fluid to exit said actuator casing; an actuation bar connected to said balance drum; and a regulation valve in a line associated with said first connection and controlling said fluid flow to said first connection.
2. The apparatus of claim 1 , wherein said actuator casing further comprises a seal comprising a labyrinth seal, configured between an outside surface of said balance drum and an inside surface of said actuator casing.
3. The actuator of claim 1 , wherein said recovery spring returns said balance drum to a startup position when said regulation valve is closed.
4. The actuator of claim 1 , wherein said actuation bar moves in a linear direction associated with said balance drum’s linear movement.
5. The apparatus of claim 1 , wherein said actuation bar extends out of said actuator casing through said second connection.
6. The apparatus of claim 1 , wherein said fluid at said first connection is at a higher pressure than said fluid at said second connection.
7. The actuator of claim 2, wherein said labyrinth seal allows said fluid to bleed around said balance drum.
8. The apparatus of claim 1 , wherein said spring exerts said second force on an opposite side of said balance drum from said first side and in an opposite direction.
9. An apparatus comprising: a casing enclosing a turbo-machine; and an actuator seamlessly integrated into said casing and configured to adjust an inflow of a fluid, wherein said actuator comprises: a actuator casing comprising: a balance drum fitted to an inside surface of said actuator casing; a first connection on said actuator casing configured to allow a fluid to enter said actuator casing and exert a first force on said balance drum; a recovery spring configured to exert a second force on said balance drum; and a second connection on said actuator casing configured to allow said fluid to exit said actuator casing; an actuation bar connected to said balance drum and to a lever associated with said turbo-machine; and a regulation valve in a line associated with said first connection and controlling said fluid flow to said first connection.
10. A method for integrating an actuator into turbo-machinery, said method comprising: constructing a turbo-machinery casing to include an actuator casing; inserting a balance drum, fitted to said actuator casing, into said actuator casing; configuring a recovery spring to apply a first force to said balance drum; connecting an actuation bar to said balance drum, for movement associated with said balance drum movement, and to a lever associated with said turbomachinery; and diverting a portion of said turbo-machinery process fluid through a regulation valve and into said actuator casing to apply a second force to said balance drum opposite said first force and control a position of said actuation bar.