ITCO20110058A1

ITCO20110058A1 - Turbomacchina

Info

Publication number: ITCO20110058A1
Application number: IT000058A
Authority: IT
Inventors: Giacomo Landi
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-06
Also published as: US9470101B2; RU2012153054A; US20130142641A1; CN103133403A; JP2013117225A; IN2012DE03365A; EP2602436A1; CN103133403B; RU2622451C2; EP2602436B1

Description

TITLE / TITOLO:

TURBOMACHINE / TURBOMACCHINA

ARTE NOTA CAMPO TECNICO

Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a turbomacchine e, più particolarmente, alla gestione di un fluido di processo pressurizzato tra una carenatura e una girante di una turbomacchina.

RIASSUNTO DELL'ARTE NOTA

Nel corso degli ultimi anni, con l'aumento del prezzo dei combustibili fossili, è aumentato l'interesse in molti aspetti correlati alla lavorazione di tali combustibili. Durante il trattamento dei combustibili fossili, i fluidi vengono trasportati da località onshore od off-shore a stabilimenti di lavorazione per poi essere utilizzati. In altre applicazioni, i fluidi possono essere trasportati più localmente, per esempio, fra i sottosistemi di uno stabilimento di lavorazione degli idrocarburi per agevolare la distribuzione agli utenti finali.

Almeno parte delle stazioni di trasporto dei fluidi usano turbomacchine, come compressori, ventole e/o pompe, azionati da turbine a gas. Alcune di tali turbine azionano l'apparato associato di trasporto fluidi mediante un differenziale che aumenta o diminuisce la velocità dell'albero motore di uscita della turbina a gas alla velocità predeterminata dell'albero motore dell'apparato. In altre macchine rotanti, motori ad alimentazione elettrica o motori elettrici vengono utilizzati al posto di, o in combinazione con, unità meccaniche (ad es., turbine a gas) per azionare la macchina rotante.

Indipendentemente dal tipo di impostazione (on-shore, off-shore, sottomarino ecc.) e dall'alimentazione della turbomacchina a turbina o a motore, sussiste l'esigenza di aumentare l’efficienza, diminuire i costi e ridurre l'impatto ambientale della lavorazione dei combustibili fossili e, in particolare, delle macchine rotanti impiegate nel trattamento.

Come risultato di questa necessità sempre presente, le prestazioni delle macchine rotanti continuano a migliorare. Le macchine rotanti odierne non solo sono più veloci, più efficienti e presentano un minor impatto ambientale, ma sono anche in grado di trattare più sostanze corrosive a temperature e pressioni più elevate che in passato. Sebbene questi miglioramenti siano considerati positivamente, le soluzioni per il controllo di questi processi sono spesso inadeguate ai requisiti posti dagli ambienti difficili che si presentano a seguito di tali miglioramenti.

Una particolare area d'interesse è rappresentata dagli elementi di tenuta. Elementi di tenuta a spazzola sono generalmente disposti tra il rotore e uno statore di una turbomacchina per mantenere un differenziale di pressione tra un lato a monte e un lato a valle dell'elemento di tenuta a spazzola. Gli elementi di tenuta a spazzola sono vulnerabili a un deterioramento delle prestazioni e a danni potenziali quando il fluido di processo esercita pressione contro l'elemento di tenuta con componenti aventi velocità rotazionale eccessiva, spesso definite turbolenza eccessiva del fluido di processo. In passato, la turbolenza del fluido di processo tra il rotore e lo statore è stata affrontata tramite l'introduzione dei cosiddetti riduttori di turbolenza o rompivortici disposti a monte dell'elemento di tenuta a spazzola. Questi componenti tipicamente includono componenti circolari aventi passaggi assiali che riducono la turbolenza nel fluido di processo che vi passa attraverso. Quando aumenta la velocità del rotore, aumenta anche la velocità rotazionale della turbolenza del fluido di processo. Il passaggio forzato di fluidi ad alta velocità attraverso tali componenti può contribuire a una riduzione dell'efficienza e/o delle prestazioni della turbomacchina. Si rileva l'esigenza di una turbomacchina in grado di fornire una migliore tenuta, ridotta turbolenza del fluido di processo, distribuzione più uniforme della velocità del gas di processo e migliorate prestazioni della turbomacchina.

RIEPILOGO

Secondo una realizzazione esemplificativa, una turbomacchina include un turbostatore avente una carenatura, un turborotore avente una girante interno della carenatura, un elemento di tenuta a spazzola tra la girante e la carenatura e almeno una paletta estendentesi dalla carenatura verso la girante, a monte dell'elemento di tenuta a spazzola.

Secondo un’altra realizzazione esemplificativa, un gruppo carenatura, girante ed elemento a spazzola di tenuta in una turbomacchina include almeno una paletta a monte dell'elemento a spazzola di tenuta ed estendentesi da una superficie della carenatura verso una girante della turbomacchina, la, almeno una, paletta includente un'estremità a monte, un'estremità a valle, un primo lato estendentesi tra l'estremità a monte e l'estremità a valle, e un secondo lato estendentesi tra l'estremità a monte e l'estremità a valle, la, almeno una, paletta includente inoltre una superficie rivolta verso la girante avente un'estremità a monte intersecante la superficie della carenatura e un'estremità a valle intersecante la superficie della carenatura, essendo la superficie rivolta verso la girante sostanzialmente congruente con la girante dall'estremità a monte all'estremità a valle.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa un metodo per migliorare la tenuta e ridurre la turbolenza in una turbomacchina include disporre un elemento di tenuta a spazzola tra una girante e una carenatura della turbomacchina, definire una cavità tra la girante e la carenatura a monte dell'elemento di tenuta a spazzola e dotare la cavità di almeno una paletta estendentesi verso la girante.

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 mostra una realizzazione esemplificativa.

La Figura 2 è una vista parziale in sezione trasversale di un elemento di tenuta a spazzola nella realizzazione esemplificativa mostrata nella Fig. 1.

La Figura 3 mostra una vista prospettica in sezione trasversale parziale di una realizzazione esemplificativa della Fig. 1.

La Figura 4 è un'altra vista in sezione trasversale della realizzazione esemplificativa illustrata nella Fig. 1.

La Figura 5 mostra un'altra realizzazione esemplificativa.

La Figura 6 è una vista parziale in sezione trasversale di un elemento di tenuta a spazzola nella realizzazione esemplificativa mostrata nella Fig. 5.

La Figura 7 mostra una vista prospettica in sezione trasversale parziale di una realizzazione esemplificativa della Fig. 5.

La Figura 8 è un'altra vista in sezione trasversale della realizzazione esemplificativa illustrata nella Fig. 1.

La Figura 9 è un'analisi della realizzazione esemplificativa mostrata nella Fig. 1.

La Figura 10 è un'analisi della realizzazione esemplificativa mostrata nella Fig. 5. La Figura 11 è un diagramma di flusso di un metodo secondo una realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle realizzazioni 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 struttura di una turbomacchina provvista di uno statore e di un rotore. Tuttavia, realizzazioni che saranno successivamente discusse non si limitano a questi sistemi esemplificativi, ma si possono applicare ad altri sistemi.

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

Le Figg. da 1 a 4 illustrano una realizzazione esemplificativa di una turbomacchina 10 secondo la presente invenzione. La turbomacchina 10 include un modulo di espansione ad alta pressione per un espansore ORC (ciclo organico Rankine), come mostrato nella Fig. 1. La turbomacchina 10 include uno statore 12 avente una carenatura 18 e un rotore 16 avente una girante 22.

Un elemento di tenuta a spazzola 24 (cerchiato in Fig. 1) e una tenuta a labirinto 26 sono disposti tra la girante 22 e la carenatura 18 della turbomacchina 10. La Fig. 2 mostra una vista in sezione trasversale parziale di un elemento di tenuta a spazzola 24 includente la porzione a spazzola 28 e un passaggio 32 per elementi di fissaggio. Un elemento di fissaggio filettato può essere inserito attraverso ciascun passaggio 32 per elementi di fissaggio sulla periferia dell'elemento di tenuta 24 per fissare in maniera amovibile l'elemento di tenuta 24 alla carenatura 18.

Osservare che la posizione dell'elemento di tenuta a spazzola 24 nella turbomacchina 10, specificamente, tra la carenatura 18 e la girante 22, è importante in quanto la velocità della turbolenza del fluido di processo tra la girante 22 e la carenatura 24 è superiore alla velocità della turbolenza del fluido di processo tra il rotore 16 e lo statore 18 a causa dell'ubicazione distale rispetto all'asse del rotore.

Le Figg. 3 e 4 mostrano una vista parziale della carenatura 18 e della girante 22 della turbomacchina 10. Una superficie della carenatura 36 e una superficie della girante 38 definiscono una serie di cavità attraverso cui passa il fluido di processo prima di esercitare pressione contro l'elemento di tenuta a spazzola 24 e quindi la tenuta a labirinto 26. Come mostrato nelle Figg. 3 e 4, una porzione di cavità principale 58 definita dalla superficie incassata della carenatura 36 e dalla superficie della girante 38 è definita a monte dell'elemento di tenuta a spazzola 24. Almeno una paletta 14 è disposta sulla carenatura 18 all'Interno della porzione di cavità principale 58. La paletta 14 include un'estremità a monte 42, un'estremità a valle 44, un primo lato 46 estendentesi tra l'estremità a monte 42 e l'estremità a valle 44 e un secondo lato 48 estendentesi tra l'estremità a monte 42 e l'estremità a valle 44. Come ulteriormente mostrato nelle Figg. 3 e 4, la paletta 14 include inoltre una superficie rivolta verso la girante 52 che interseca la superficie della carenatura 36 a livello dell'estremità a monte 42 e dell'estremità a valle 44. Nella realizzazione esemplificativa, la paletta 14 definisce un piano coincidente con l'asse del rotore 54 (Fig. 4). Inoltre, come si può intuire nelle Figg. 3 e 4, l'estremità a monte 42 della paletta 14 si estende radialmente verso l'esterno oltre il diametro esterno 56 della girante 22.

Nella realizzazione esemplificativa delle Figg. 1-4, la cavità principale 58 è ulteriormente definita da una porzione di superficie planare 62 che è normale rispetto all'asse del rotore 54. Come mostrato nelle Figg. da 2 a 4, la porzione di superficie della carenatura 62 è formata da un lato a monte del corpo dell'elemento di tenuta a spazzola 24 quando l'elemento di tenuta è installato sulla turbomacchina 10. La superficie della carenatura 36 include anche una porzione di superficie cilindrica 64 che interseca la porzione di superficie planare 62. Come mostrato nelle Figg. da 1 a 4, la paletta 14 definisce una forma triangolare. Un primo lato del triangolo interseca la porzione di superficie della carenatura planare 62, un secondo lato interseca la porzione di superficie cilindrica 64 e un terzo lato della girante di forma triangolare è rivolto verso la girante 22.

Durante la fabbricazione, la paletta 14 può essere disposta sul corpo della porzione dell'elemento di tenuta 24 a livello della superficie 62. Durante l'installazione di una paletta includente l'elemento di tenuta 14, il secondo lato della paletta triangolare 14 può impegnare ed essere fissata alla superficie cilindrica 64. Questa caratteristica può consentire a una paletta di essere abbinata o altrimenti configurata specificamente per le caratteristiche dell'elemento di tenuta a spazzola 24 installato sulla macchina rotante 10.

Come mostrato inoltre nelle Figg. da 1 a 4, la cavità principale 58 è disposta tra una cavità a valle 66 e una cavità a monte 68. La cavità a monte e più lontana dall'asse del rotore 54 rispetto alla cavità a valle 66. Si noti che la paletta 66 si estende verso la cavità a valle 66 nonché verso la cavità a monte 68.

Come mostrato nelle Figg. 3 e 4, la cavità a monte 68 è definita dalle superfici cilindriche opposte sulla carenatura 18 e la girante 22. La turbomacchina 10 include inoltre un dente stabilizzante 72 estendentesi dalla superficie della carenatura 36 verso la girante 22. Il dente stabilizzante 72 è disposto tra l'elemento di tenuta a spazzola 24 e la cavità a valle 66. Come si può ulteriormente intuire dalla Fig. 2, il dente 72 è disposto sull'elemento di tenuta a spazzola 24.

Le Figg. da 5 a 8 illustrano un'altra realizzazione esemplificativa di una turbomacchina 110 secondo la presente invenzione. La turbomacchina 110 include un modulo di espansione a bassa pressione per un espansore ORC (ciclo organico Rankine), come mostrato nella Fig. 5.

Come mostrato nelle Figg. 7 e 8, la cavità principale 158 include una superficie di carenatura conica 174 rivolta verso la girante 122. La superficie di carenatura conica 174 è rastremata nella direzione a valle. La paletta 114 include un primo lato 176 intersecante la superficie di carenatura conica 174 e un secondo lato 178 includente una girante rivolta verso la superficie 122. Il secondo lato 178 della paletta 114 è convesso e congruente con una superficie concava 182 della girante 122.

In un'analisi della realizzazione esemplificativa delle Figg. da 1 a 4, sessanta palette 14 ciascuna avente una larghezza di 1 mm sono disposte nella cavità principale 58 attorno all'asse del rotore 54. Inoltre, in un'analisi della realizzazione esemplificativa delle Figg. da 5 a 8, novanta palette 114 sono disposte nella cavità principale 158 attorno all'asse del rotore 154. L'analisi indica che il flusso altamente turbolente che entra nella cavità principale 58,158 viene deflesso dalle palette 14, 114 incrementando perciò le componenti di flusso di velocità assiale e/o radiale, riducendo allo stesso tempo le componenti di flusso tangenziale. L'analisi sembra indicare inoltre che la turbolenza è ulteriormente ridotta da una certa quantità di dissipazione della quantità di moto indotta dalla viscosità a causa dell'introduzione di regioni di ricircolo e strutture di flusso altamente turbolente. Inoltre, l'analisi mostra che una distribuzione uniforme della velocità del gas di processo è fornita all'elemento di tenuta a spazzola 24, 124.

Specificamente, le Figg. 9 e 10 mostrano i risultati di questa analisi, rispettivamente, per le realizzazioni prima e seconda 10 e 110. La parte superiore della Fig. 9 mostra un numero di turbolenza medio rappresentato graficamente rispetto a una coordinata assiale dalla cavità a monte 68 alla tenuta a labirinto 26. La parte inferiore della Fig. 9 mostra il pattern di turbolenza e i campi di velocità meridiana di una turbomacchina 10 includente le palette 14. La linea 202 indica i valori di turbolenza rispetto all'ubicazione assiale senza le palette 14 e la linea 204 indica i valori di turbolenza rispetto all'ubicazione assiale con le palette 14. L'ubicazione dell'elemento di tenuta a spazzola 24 è indicata dalla linea verticale 206. Come mostrato nella Fig. 9, il valore di turbolenza prossimale al lato a valle dell'elemento di tenuta a spazzola 24 senza le palette 14 è 0,514 e con le palette 114 il valore di turbolenza è 0,221. La Fig. 10 mostra un grafico simile per la seconda realizzazione 110 includente la linea 302 perché i valori di turbolenza rispetto all'ubicazione assiale senza le palette 114 e la linea 304 per i valori di turbolenza rispetto all'ubicazione assiale con le palette 114. Come mostrato nella Fig. 10, il valore di turbolenza prossimale al lato a monte dell'elemento di tenuta a spazzola 124 senza le palette 114 è 0,471 e con le palette 114, il valore di turbolenza è 0,170. Pertanto, entrambe le realizzazioni forniscono una riduzione superiore al cinquanta per cento del valore di turbolenza del fluido di processo che esercita pressione contro l'elemento di tenuta a spazzola 24. Come si può anche comprendere dalla porzione inferiore delle Figg. 9 e 10, la turbomacchina 10 e 110 fornisce una distribuzione uniforme della velocità al flusso di processo che esercita pressione contro l'elemento di tenuta 24. Conseguentemente, la turbomacchina 10, 110 consente una migliore tenuta, ridotta turbolenza del fluido di processo, distribuzione più uniforme della velocità del gas di processo, e prestazioni migliori rispetto alle turbomacchine convenzionali.

Secondo una realizzazione come mostrato nel diagramma di flusso della Fig. 11, un metodo (1000) per migliorare la tenuta e ridurre la turbolenza in una turbomacchina può includere disporre (1002) un elemento di tenuta a spazzola tra una girante e una carenatura della turbomacchina e (1004) definire una cavità tra la girante e la carenatura a monte dell'elemento di tenuta a spazzola e munire (1006) la cavità di almeno una paletta estende verso la girante.

Le realizzazioni sopra descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, la presente invenzione. Tutte le siffatte variazioni e modifiche devono essere considerate entro lo scopo e lo spirito della presente invenzione, come definite nelle seguenti rivendicazioni. Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che non sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, nel presente documento l'articolo indeterminativo si intende comprensivo di uno o più oggetti.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Una turbomacchina, comprendente: uno statore turbo avente una carenatura; un rotore turbo avente una girante in detta carenatura; un elemento di tenuta a spazzola tra detta girante e detta carenatura; almeno una paletta estendentesi da detta carenatura verso detta girante a monte di detto elemento di tenuta a spazzola. 2. La turbomacchina della rivendicazione 1 in cui detta, almeno una, paletta include un'estremità a monte, un'estremità a valle, un primo lato estendentesi tra detta estremità a monte e detta estremità a valle, e un secondo lato estendentesi tra detta estremità a monte e detta estremità a valle. 3. La turbomacchina della rivendicazione 1 in cui detta carenatura ha una superficie rivolta verso detta girante e detta, almeno una, paletta include una superficie rivolta verso la girante avente un'estremità a monte intersecante detta superficie della carenatura e un'estremità a valle intersecante detta superficie della carenatura, essendo detta superficie rivolta verso la girante sostanzialmente congruente con detta girante da detta estremità a monte a detta estremità a valle. 4. La turbomacchina della rivendicazione 1 in cui detta, almeno una, paletta definisce un piano coincidente con detto asse del rotore. 5. La turbomacchina della rivendicazione 1 in cui detta girante ha un diametro esterno e detta, almeno una, paletta si estende radialmente verso l'esterno oltre detto diametro esterno di detta girante. 6. La turbomacchina della rivendicazione 1 ulteriormente comprendente una porzione di cavità principale a monte di detto elemento di tenuta a spazzola, essendo detta porzione di cavità principale definita da una superficie incassata di detta carenatura e da una superficie di detta girante, essendo, detta almeno, una paletta disposta almeno parzialmente in detta cavità principale. 7. La turbomacchina della rivendicazione 6 in cui detta superficie della carenatura della cavità principale include un gradino definito da una superficie planare della carenatura normale rispetto a detto asse del rotore e una superficie cilindrica della carenatura a monte di detta superficie planare, detta superfìcie cilindrica intersecante detta superficie planare della carenatura. 8. La turbomacchina della rivendicazione 7 in cui detta, almeno una, paletta definisce una forma triangolare, un primo lato del triangolo interseca detta superficie planare della carenatura, un secondo lato del triangolo interseca detta superficie cilindrica della carenatura e un terzo lato del triangolo è rivolto verso detta girante. 9. Un gruppo carenatura, girante ed elemento di tenuta a spazzola in una turbomacchina, comprendente: almeno una paletta a monte di detto elemento di tenuta a spazzola ed estendentesi da una superficie della carenatura verso una girante di detta turbomacchina; detta, almeno una, paletta includente un'estremità a monte, un'estremità a valle, un primo lato estendentesi tra detta estremità a monte e detta estremità a valle, e un secondo lato estendentesi tra detta estremità a monte e detta estremità a valle. detta, almeno una, paletta ulteriormente includente una superficie rivolta verso la girante avente un'estremità a monte intersecante detta superficie della carenatura e un'estremità a valle intersecante detta superficie della carenatura, essendo detta superficie rivolta verso la girante sostanzialmente congruente con detta girante da detta estremità a monte a detta estremità a valle. 10. Un metodo per migliorare la tenuta e ridurre la turbolenza in una turbomacchina, comprendente: disporre un elemento di tenuta a spazzola tra una girante e una carenatura di detta turbomacchina; definire una cavità tra detta girante e detta carenatura a monte di detto elemento di tenuta a spazzola; munire detta cavità di almeno una paletta estendentesi verso detta girante. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1 . A turbo machine, comprising: a turbo stator having a shroud; a turbo rotor having an impeller within said shroud; a brush seal between said impeller and said shroud; at least one vane extending from said shroud toward said impeller upstream of said brush seal.
2. The turbo machine of claim 1 wherein said at least one vane includes an upstream end, a downstream end, a first side extending between said upstream end and said downstream end, and a second side extending between said upstream end and said downstream end.
3. The turbo machine of claim 1 wherein said shroud has a surface facing said impeller and said at least one vane includes an impeller facing surface having an upstream end intersecting said shroud surface and a downstream end intersecting said shroud surface, said impeller facing surface being substantially congruent to said impeller from said upstream end to said downstream end.
4. The turbo machine of claim 1 wherein said at least one vane defines a plane coincident with said rotor axis.
5. The turbo machine of claim 1 wherein said impeller has an outer diameter and said at least one vane extends radially outwardly beyond said outer diameter of said impeller.
6. The turbo machine of claim 1 further comprising a main cavity portion upstream of said brush seal, said main cavity portion being defined by a recessed surface of said shroud and a surface of said impeller, said at least one vane being disposed at least partially within said main cavity.
7. The turbo machine of claim 6 wherein said main cavity shroud surface includes a step defined by a planar shroud surface normal to said rotor axis and a cylindrical shroud surface upstream of said planar surface, said cylindrical surface intersecting said planar shroud surface.
8. The turbo machine of claim 7 wherein said at least one vane defines a triangle shape, a first side of the triangle intersects said planar shroud service, a second side of the triangle intersects said cylindrical shroud surface and a third side of the triangle faces said impeller.
9. A shroud, impeller, and brush seal assembly in a turbo machine, comprising: at least one vane upstream of said brush seal and extending from a shroud surface towards an impeller of said turbo machine; said at least one vane including an upstream end, a downstream end, a first side extending between said upstream end and said downstream end, and a second side extending between said upstream end and said downstream end. said at least one vane further including an impeller facing surface having an upstream end intersecting said shroud surface and a downstream end intersecting said shroud surface, said impeller facing surface being substantially congruent to said impeller from said upstream end to said downstream end.
10. A method of improving sealing and reducing swirl in a turbo machine, comprising: providing a brush seal between an impeller and a shroud of said turbo machine; providing a cavity between said impeller and said shroud upstream of said brush seal; providing said cavity with at least one vane extending toward said impeller.