ITCO20130052A1

ITCO20130052A1 - Coprigiunto per turbomacchina

Info

Publication number: ITCO20130052A1
Application number: IT000052A
Authority: IT
Inventors: Andrea Bernocchi; Angelo Grimaldi; Marco Pelella; Simone Tanteri
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-26
Also published as: JP2016538452A; RU2016114415A; RU2667176C2; KR20160074670A; US10584611B2; CA2928318A1; WO2015059267A1; RU2016114415A3; US20160281508A1; CN105849367B; CN105849367A; EP3060757A1; MX2016005351A

Description

COUPLING GUARD FOR A TURBORMACHINE

/ COPRIGIUNTO PER TURBOMACCHINA

DESCRIPTION/DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce ad un coprigiunto per un elemento rotante di una turbomacchina.

ARTE NOTA

E' ben nota l'applicazione di uno sfiato dell'aria o dell'azoto ad un coprigiunto, per evitare migrazione di olio nel coprigiunto. Uno di questi sistemi è descritto, ad esempio, nel brevetto US 6474934.

Tuttavia, sistemi di sfiato noti, in generale, non riescono a garantire il flusso corretto per mantenere la temperatura esterna del coprigiunto al di sotto di valori accettabili e, inoltre, per evitare migrazione di olio dall'estremità dell'albero. Tali problemi, in genere, vengono risolti aumentanto le dimensioni complessive del coprigiunto e aggiungendo protezioni per l'olio, includendo ad esempio guarnizioni alle estremità dell'albero. Tuttavia, è stato dimostrato che tali soluzioni sono un approccio sperimentale ed errato, che in taluni casi non sono in grado di mantenere la temperatura esterna inferiore a 150°C e non sono in grado di arrestare con successo la migrazione dell'olio. Inoltre, limiti geometrici non sempre consentono di modificare le dimensioni complessive del coprigiungo o di aggiungere protezioni per l'olio.

Pertanto, è auspicabile modificare sistemi di sfiato noti per ottenere temperature accettabili della parte esterna del coprigiunto, evitando nel contempo la migrazione di olio dalle estremità dell'albero, senza modificare le dimensioni complessive dei coprigiunti o aggiungere protezioni per l'olio.

RIEPILOGO

Secondo una prima forma d'esecuzione, la presente invenzione assolve a tale compito prevedendo un coprigiunto per un elemento rotante, comprendente:

- un guscio che circonda l'elemento rotante,

- una camera a pressione disposta nel guscio,

- almeno un tubo d'iniezione per iniettare un gas di raffreddamento e un'uscita per scaricare il gas di raffreddamento, in modo che la rotazione dell'elemento rotante estragga il gas di raffreddamento attraverso il tubo e lo introduca nella camera a pressione, circolando il gas di raffreddamento attraverso la camera di pressione per raffreddare il guscio, prima che detto gas di raffreddamento sia scaricato attraverso l'uscita;

in cui detto tubo d'iniezione si estende attraverso detta camera di pressione da una prima apertura assiale prossimale a detto guscio ad una seconda apertura assiale prossimale a detto elemento rotante, avente detto tubo d'iniezione un bordo principale che entra per primo a contatto con il gas che circola nella camera a pressione e un bordo di uscita opposto al bordo principale, avente detta seconda apertura una prima porzione ortogonale all'asse di detto tubo d'iniezione e a una seconda porzione trasversale detto bordo di uscita, adiacente a detta prima porzione e parallela all'asse di detto tubo d'iniezione.

La forma dei tubi d'iniezione, unitamente alla relativa lunghezza e posizione all'interno dell'involucro, crea una pressione delta attraverso il tubo stesso per consentire al gas di raffreddamento (ad esempio, aria atmosferica o azoto) di fluire all'interno della camera a pressione del coprigiunto. Ciò consente di mantenere la temperatura esterna del guscio inferiore a 100°C.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione consente nel fatto che il flusso del gas di raffreddamento crea anche una sovrappressione interna all'interno della camera a pressione del coprigiunto, cosa che impedisce la migrazione di olio dalle estremità dell'albero:

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione delle forme di esecuzione dell'invenzione associate ai seguenti disegni, in cui:

- la figura 1 è una vista laterale in pressione di un coprigiunto, secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è una vista in sezione trasversale del coprigiunto della figura 1 ; - la figura 3 è una vista dettagliata del componente III della figura 2;

- la figura 4 è una vista in sezione trasversale laterale del componente della figura 3;

- la figura 5 è una vista in sezione trasversale schematica del componente della figura 3.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI ALCUNE FORME DI ESECUZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

In riferimento alle figure allegate, un elemento rotante 15, avente un asse di rotazione Y, è racchiuso in un coprigiunto 1 , comprendente un guscio 11 e una camera di pressione 25 disposta nel guscio 11 attorno all'elemento rotante 15. L'elemento rotante 15 comprende un albero centrale 15a e un paio di dischi laterali 15b, c. Secondo altre forme d'esecuzione dell'invenzione, non illustrate nei disegni, l'elemento rotante 15 potrebbe avere una qualsiasi configurazione diversa.

Il guscio 11 comprende una porzione semi-cilindrica inferiore 11a e una porzione semi-cilindrica superiore 11 b. Le porzioni superiore e inferiore 11 a, b sono a contatto una con l'altra e sono unite lungo un piano orizzontale comprendente l'asse di rotazione Y.

Il coprigiunto 1 comprende uno o più tubi d'iniezione 12 ( tre tubi d'iniezione 12 nella forma d'esecuzione della figura 1) per iniettare un gas di raffreddamento e una o più uscite 13 (un'uscita 13 nella forma d'esecuzione della figura 2) per scarica il gas di raffreddamento, in modo che, durante il funzionamento, la rotazione dell'elemento rotante 15 attorno all'asse Y estrae gas di raffreddamento attraverso ogni tubo d'iniezione 12 e lo introduce nella camera a pressione 25. La porzione semi-cilindrica superiore 11 b comprende un'aletta radiale interna 20 posizionata, rispetto al movimento rotatorio R dell'elemento rotante 15 (orario nella fig. 2), a valle dell'uscita 13. Il gas di raffreddamento circola attraverso la camera a pressione 25 per raffreddare il guscio 11 , prima dello scarico attraverso l'uscita 13, favorito dalla presenza dell'aletta 20.

Ogni tubo d'iniezione 12 è motato sulla porzione superiore 11 b del guscio 11 in modo tale da estendersi attraverso la camera a pressione 25 da una prima apertura circolare assiale 31 prossimale al guscio 11 a una secnda apertura assiale 32 prossimale all'elemento rotante 15. La seconda apertura assiale 32 è preferibilmente più vicina possibile all'elemento rotante 15, per massimizzare il flusso dentro i tubi d'iniezione 12, grazie all'effetto scia generato dalla rotazione dell'elemento rotante 15.

Ogni tubo d'iniezione 12 è orientato, rispetto al movimento rotatorio R dell'elemento rotante 15, attorno all'asse Y in modo tale che il tubo d'iniezione 12 abbia un bordo principale 41 che entra a contatto per primo con il gas che circola nella camera a pressione 25 e un bordo d'uscita 42 opposto al bordo principale 41, avente la seconda apertura assiale 32 una prima porzione assiale circolare 32a, ortogonale all'asse X del tubo d'iniezione 12 e una seconda porzione laterale 32b che si estende attraverso il bordo di uscita 42 La lunghezza del bordo principale 41 deve essere selezionata rispetto al diametro del tubo d'iniezione 12, in modo tale che l'aria principale sia compresa tra 0,5 e 1 ,5 volte l'area trasversale esterna del tubo d'iniezione 12. Il diametro e lo spessore del tubo d'iniezione 12 devono essere selezionati affinché l'area trasversale esterna del tubo d'iniezione 12 non consenta al flusso del gas di raffreddamento nel tubo d'iniezione 12 di raggiungere un valore di velocità maggiore di 50 m/s.

La seconda porzione laterale 32b è delimitata dalla prima porzione assiale circolare 32a, da un bordo superiore 34c avente la forma arcuata e parallela alla prima porzione assiale circolare 32a e da due bordi d'apertura laterali 34a, 34b che si estendono dalla prima porzione 32a verso detta prima apertura assiale 32 fino al bordo superiore 34c. I due bordi laterali 34a, 34b sono paralleli all'asse X del tubo d'iniezione 12 e sono distanziati in senso angolare attorno all'asse X di un angolo di apertura A compreso tra 90° e 180°.

Più in particolare, l'angolo di apertura A è compreso tra 140° e 160°.

Per la forma del tubo d'iniezione 12 e, in particolare, della seconda apertura assiale 32, il gas che circola nella camera a pressione 25 quando l'elemento rotante 15 ruota attorno all'asse Y segue un percorso (rappresentato nella fig. 4 da una freccia F1), che attraversa la prima e la seconda porzione 32a, b della seconda apertura assiale 32 in serie. Ciò ha come effetto la formazione di una pressione delta attraverso il tubo d'iniezione 12, per consentire al gas di raffreddamento di fluire attraveso il tubo d'iniezione 12, conformemente ad un secondo percorso (rappresentato nelle figg. 4 e 5 da frecce F2). Il secondo percorso F2 entra nella prima apertura assiale 31 radialmente ed esce dalla seconda porzione 32b della seconda apertura assiale 32, conformemente a una direzione circonferenziale ortogonale ai bordi laterali 34a, 34b.

Ogni tubo d'iniezione 12 è posizionato su una porzione semi-cilindrica superiore 11 b del guscio 11. Tenendo conto del fatto che la porzione superiore della superficie esterna del coprigiunto 1 è la porzione più calda della superficie esterna del coprigiunto 1 , il tubo d'iniezione 12, rispetto al piano verticale che comprende l'asse rotante Y dell'elemento rotante 15, è distanziato angolarmente dall'angolo di posizionamento B, che è maggiore di 10° ma inferiore a 90°. Più in particolare, l'angolo B è inferiore a 45°.

Quando le dimensioni complessive del coprigiunto 1 e le condizioni di funzionamento delle parti rotanti sono tali che il gas circolante nella camera di pressione 25 raggiunge condizioni di turbolenza, secondo eventuali forme d'esecuzione della presente invenzione, uno o più schermi 26 vengono fissati su un lato interno del guscio 11 per creare volumi rotanti di spessore minimo attorno all'elemento rotante 15. L'effetto ottenuto è la riduzione del coefficiente di frizione, grazie alla distanza ridotta tra gli strati limite rotorici e statorici. La riduzione del coefficiente di frizione produce la riduzione della formazione di calore e, di conseguenza, riduc la temperatura esterna del coprigiunto.

Nella forma d'esecuzioe delle figure allegati 1 e 5, lo schermo 26 comprende un pannello cilindrico 27 attorno all'albero 15a e due pannelli circolare piani 26b, 26c, rispettivamente chiusi in corrispondenza dei dischi 15b, 15c. Il pannello cilindrico 27 comprende una porzione semi-cilindrica inferiore 27a e una porzione semicilindrica superiore 27b. Le porzioni superiore e inferiore 27a, b sono a contatto una con l'altra e sono unite lungo un piano orizzontale comprendente l'asse di rotazione Y.

In generale, per tutte le forme d'esecuzione, deve essere prevista una distanza, compresa tra 1 mm e 59 mm, tra ogni componente dell'elemento rotante 15 e lo schermo 26, per garantire che lo strato limite rotorico si avvicini più possibile alla condizione di toccare lo strato limite statorico.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1 . Un coprigiunto (1 ) per un elemento rotante (15), comprendente: - un guscio (11) che circonda l'elemento rotante (15), - una camera a pressione (25) disposta nel guscio (11 ), - almeno un tubo d'iniezione (12) per iniettare un gas di raffreddamentoe un'uscita (13) per scaricare il gas di raffreddamento in modo che la rotazione dell'elemento rotante (15) estragga gas di raffreddamento attraverso il tubo d'iniezione (12) e lo introduca nella camera a pressione (25), circolando il gas di raffreddamento attraverso la camera a pressione (25) per raffreddare il guscio (11) prima dello scarico di detto gas di raffreddamento attraverso l'uscita (13); in cui detto tubo d'iniezione (12) si estende attraverso detta camera di pressione (25) da una prima apertura assiale (31) prossimale a detto guscio (11) a una seconda apertura assiale (32) prossimale a detto elemento rotante (15), avente detto tubo d'iniezione (12) un bordo principale (41) che entra per primo a contatto con il gas che circola nella camera a pressione e un bordo d'uscita (42) opposto al bordo principale (41), avente detta seconda apertura (32) una prima porzione (32a) ortogonale all'asse (X) di detto tubo d'iniezione (12) e una seconda porzione (32b) trasversale a detto bordo di uscita (42), adiacente a detta prima porzione (32a) e parallela all'asse (X) di detto tubo d'iniezione (12).
2. Coprigiunto (1 ) secondo la rivendicazione 1 , in cui la seconda porzione (32b) di detta seconda apertura (32) è delimitata da due bordi d'apertura (34a, 34b) che si estendono da detta prima porzione (32a) verso detta prima apertura assiale (31) parallela a detto asse (X) di detto tubo d'iniezione (12), essendo i due bordi di apertura (34a, 34b) distanziati angolarmente attorno a detto asse (X) di un angolo di apertura (A) compreso tra 90° e 180°.
3. Coprigiunto (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detto angolo di apertura (A) è compreso tra 140° e 160°.
4. Coprigiunto (1) secondo la rivendicazione 1 , in cui rispetto al piano verticale, comprendente l'asse di rotazione (Y) di detto elemento rotante (15), detto tubo d'iniezione (12) è distanziato angolarmente da un angolo di posizionamento (B) inferiore a 45°.
5. Coprigiunto (1) secondo la rivendicazione 1 , comprendente inoltre almeno uno schermo (26) fissato su un lato interno di detto guscio (11 ) per ridurre lo spessore della parte superiore di detta camera a pressione (25), dove il diametro di detto elemento rotante (15) è minimo.
6. Coprigiunto (1) secondo la rivendicazione 5, in cui la distanza tra l'elemento rotante (15) e lo schermo (26) è compresa tra 1 mm e 50 mm.