ITCO20130070A1 - Apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina - Google Patents

Apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina

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ITCO20130070A1 IT000070A ITCO20130070A ITCO20130070A1 IT CO20130070 A1 ITCO20130070 A1 IT CO20130070A1 IT 000070 A IT000070 A IT 000070A IT CO20130070 A ITCO20130070 A IT CO20130070A IT CO20130070 A1 ITCO20130070 A1 IT CO20130070A1
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Description

TITOLO
Apparatus for sealing an internai environment of a turbomachine./ Apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una
turbomacchina.
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce a un apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina. Specificamente, l'apparato secondo l'invenzione si riferisce a una tenuta su un albero rotante di una turbomacchina. In ulteriore dettaglio, lo scopo della tenuta è di impedire la fuoriuscita di un fluido di lavoro dalla turbomacchina nell'ambiente esterno. Sebbene l'apparato secondo la presente invenzione possa essere applicato a qualsiasi tipo di turbomacchina, esso è particolarmente utile per le turbine, specificamente per le turbine ORC (ciclo organico Rankine).
In dettaglio, una turbomacchina comprende un rotore, un ingresso e un'uscita per il fluido di lavoro. Il fluido di lavoro potrebbe essere in fasi diverse, per esempio potrebbe essere un vapore a livello dell'ingresso e può essere interamente o parzialmente condensato a livello dell'uscita. Il rotore è disposto tra l'ingresso e l'uscita ed è fissato a un albero. Esiste, pertanto, l'esigenza di realizzare un'adeguata tenuta di fluido in un ambiente interno della turbomacchina rispetto all'ambiente esterno, particolarmente se il fluido di lavoro è tossico, inquinante o altrimenti nocivo per l'ambiente esterno.
È pertanto noto nello stato dell'arte un apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina. Nel contesto della presente divulgazione, il termine “ambiente interno” va inteso come ogni parte della turbomacchina in cui sia presente il fluido di lavoro durante il normale funzionamento.
L'apparato stesso comprende una prima camera in comunicazione fluida con l'ingresso della turbomacchina. Durante il normale funzionamento, la prima camera viene mantenuta a una pressione inferiore rispetto all'ingresso della turbina, in modo che il fluido possa fluire dall'ingresso alla prima camera. Generalmente, la prima camera è disposta adiacente all'albero, dietro il rotore.
Una seconda camera è disposta in comunicazione fluida con un circuito di lubrificazione. Pertanto, un lubrificante dal circuito di lubrificazione riempie la seconda camera. Anche la seconda camera è adiacente all'albero, accanto alla prima camera. Una tenuta è interposta tra la prima e la seconda camera, per esempio una tenta a labirinto. Come avviene tipicamente con le tenute senza contatto, sarà presente una certa quantità di perdita. Poiché il lubrificante all'interno della seconda camera viene mantenuto a una pressione inferiore a quella del fluido di lavoro nella prima camera, il fluido di lavoro si infiltrerà nella seconda camera dalla prima camera.
Pertanto, una miscela di lubrificante e fluido di lavoro dovrà essere estratta dalla seconda camera e scaricata in un serbatoio. Questo serbatoio viene mantenuto a temperatura ambiente. Pertanto, il fluido di lavoro, che tipicamente, ha una temperatura di evaporazione molto più bassa di quella del lubrificante, evapora. Il vapore si raccoglie in una zona superiore del serbatoio, da cui viene estratto e ricompresso in modo da poter essere reinserito nell'ambiente interno della turbomacchina, tipicamente, in o vicino all'uscita.
Uno svantaggio dell'apparato noto è che viene consentita la decompressione del fluido di lavoro fino alla pressione atmosferica, sprecando, perciò, parte della sua energia interna. Tale energia, deve essere rifornita nuovamente dal compressore, riducendo, perciò, l'efficienza dell'intera turbomacchina.
RIEPILOGO
Un primo aspetto dell'invenzione è pertanto un apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina. Tale apparato comprende una prima camera collegabile in comunicazione fluida a un ambiente ad alta pressione di una turbomacchina, in modo che un fluido di lavoro possa fluire dall'ambiente ad alta pressione alla prima camera. L'apparato comprende inoltre una seconda camera in comunicazione fluida con un circuito di lubrificazione in modo che un lubrificante possa fluire dal circuito di lubrificazione alla seconda camera. Le camere prima e seconda sono disposte in comunicazione fluida l'una con l'altra, in modo che il fluido di lavoro possa fluire dalla prima alla seconda camera. L'apparato comprende una tubazione di ritorno in comunicazione fluida con la prima camera. La tubazione di ritorno è collegabile in comunicazione fluida a un ambiente a bassa pressione di una turbomacchina. Pertanto, il fluido di lavoro può fluire dalla prima camera aH'ambiente a bassa pressione.
L'apparato comprende anche un dispositivo di regolazione della pressione configurato per fornire un calo di pressione predeterminato lungo la tubazione di ritorno.
Vantaggiosamente, il dispositivo di regolazione della pressione lungo la tubazione di ritorno consente di controllare la pressione all'interno della seconda camera. Infatti, restringendo opportunamente il flusso del fluido di lavoro all'interno della tubazione di ritorno, il dispositivo di regolazione della pressione può essere selezionato in modo da fornire una maggiore pressione nella seconda camera. Conseguentemente, l'intero sistema può essere mantenuto a una pressione superiore a quanto sarebbe altrimenti possibile, in modo che non sia più necessario ricomprimere il fluido di lavoro dopo la separazione.
Il dispositivo di separazione può anche comprendere un serbatoio configurato per essere pressurizzato a una pressione operativa predeterminata, che è superiore alla pressione dell'ambiente a bassa pressione all'interno della turbina. Ciò assicura che il fluido di lavoro possa fluire direttamente dal serbatoio alla turbina.
Il dispositivo di separazione comprende anche un dispositivo di riscaldamento associato al serbatoio e configurato per riscaldare una miscela di lubrificante e fluido di lavoro. Pertanto, la separazione del fluido di lavoro e del lubrificante può essere eseguita a una pressione maggiore, fintanto che il fluido di lavoro abbia una temperatura di ebollizione inferiore a quella del lubrificante.
Il dispositivo di regolazione della pressione può essere un orifizio configurato per restringere il flusso del fluido di lavoro all'interno della tubazione di ritorno. Ciò consente di selezionare una soluzione costruttivamente semplice, se i valori di pressione nella seconda camera e nel serbatoio sono noti in anticipo e non sono considerati variabili durante il normale funzionamento della turbina.
Il dispositivo di regolazione della pressione può essere, alternativamente, una valvola di regolazione. Ciò consente di adattare il flusso all'interno della tubazione di ritorno se si prevede che le condizioni di pressione siano variabili.
Ulteriori dettagli e forme di realizzazione specifiche faranno riferimento alla figura allegata 1 , che è una rappresentazione schematica di un apparato secondo una forma di realizzazione dell'invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La seguente descrizione delle forme d'esecuzione esemplificative fa riferimento ai disegni 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 in appendice. In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma d'esecuzione" indica che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una forme d'esecuzione è inclusa in almeno una forma d'esecuzione dell'oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo dell'espressione "in una forma d'esecuzione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima forma d'esecuzione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più forme d'esecuzione in qualsivoglia modalità appropriata.
Facendo riferimento alle figure allegate, con il numero 1 è indicato un apparato per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina 110 secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
La turbomacchina 100 verrà descritta dettagliatamente soltanto per agevolare la descrizione dell'apparato 1 , in quanto non è di per sé parte della presente invenzione. Per esempio, la turbomacchina 100 può essere un sistema di turbina adattato per funzionare secondo il ciclo organico Rankine (ORC).
La turbomacchina 100 comprende una camera della turbina 101. Un rotore della turbina 102 avente una pluralità di pale (non mostrate nei disegni) è disposto all'interno della camera 101. Un albero 103 è fissato coassialmente al rotore 102, in modo da estrarre lavoro dal fluido di lavoro attraverso il rotore 102. L'albero 103 è sostenuto da cuscinetti 107.
La turbomacchina 100 comprende inoltre un circuito di lubrificazione 106 dell'albero 103. Specificamente, tale circuito di lubrificazione 106 è attivo sui suddetti cuscinetti 107, in modo che un un lubrificante possa essere utilizzato per lubrificare e raffreddare i cuscinetti 107. Il circuito di lubrificazione 106 stesso può essere di tipo e configurazione note e, pertanto, non verrà descritto in ulteriore dettaglio.
L'apparato 1 comprende una prima camera 2. La prima camera 2 è collegabile in comunicazione fluida con un ambiente ad alta pressione “AP” della turbomacchina 100. In questo modo, il fluido di lavoro può fluire daN'ambiente ad alta pressione 100 alla prima camera 2.
Una seconda camera 3 è disposta in comunicazione fluida con il circuito di lubrificazione 106, preferibilmente attraverso i cuscinetti 107 dell'albero 103. In questo modo, il lubrificante può fluire dal circuito di lubrificazione 106 alla seconda camera 3.
Facendo riferimento alla figura 1 , le camere 2, 3 possono essere disposte attorno all'albero 103. Specificamente, la prima camera 2 è disposta accanto al rotore 102, mentre la seconda camera 3 è disposta accanto ai cuscinetti.
Le camere prima 2 e seconda 3 sono disposte in comunicazione fluida l'una con l'altra. Infatti, il fluido di lavoro può fluire dalla prima 2 alla seconda camera 3. In altre parole, in una condizione operativa, la prima camera 2 contiene fluido di lavoro a una pressione superiore a quella del lubrificante all'interno della seconda camera 3. Pertanto, una miscela di fluido di lavoro e lubrificante viene creata all'interno della seconda camera 3. Tale miscela viene drenata dalla seconda camera 3 attraverso una tubazione di drenaggio 8. I componenti dell'apparato 1 che sono disposti a valle della tubazione di drenaggio 8 verranno spiegati in una parte successiva della presente divulgazione.
In maggiore dettaglio, l'apparato 1 comprende una tenuta 14 . tra la prima 2 e la seconda camera 3. Infatti, le camere prima 2 e seconda 3 sono in connessione fluida mediante la fuoriuscita di fluido di lavoro attraverso la tenuta 14. La presenza della tenuta 14 assicura un ostacolo sufficiente al flusso del fluido di lavoro per garantire che venga mantenuto un differenziale di pressione tra la prima 2 e la seconda camera 3.
Inoltre, un'ulteriore tenuta 15 è disposta tra la prima camera 2 e l'ambiente ad alta pressione (AP) della turbomacchina 100. Similmente, la comunicazione fluida tra la prima camera 2 e l'ambiente ad alta pressione “AP” avviene attraverso l'ulteriore tenuta 15.
L'apparato 1 comprende una tubazione di ritorno 4 per il fluido di lavoro. Tale tubazione di ritorno è posto in comunicazione fluida con la prima camera 2. La tubazione di ritorno è anche collegabile in comunicazione fluida corr un ambiente a bassa pressione ΈΡ" della turbomacchina 1Ό1 : In questo modo, il fluido di lavoro può fluire dalla prima camera 2 all'ambiente a bassa pressione 101. In altre parole, il fluido di lavoro può fluire dall'ambiente ad alta pressione “AP" nella prima camera 2 nell'ambiente a bassa pressione “BP” attraverso la tubazione di ritorno 4.
Il dispositivo di regolazione della pressione 5 dell'apparato lungo la tubazione di ritorno 4. Il dispositivo di regolazione della pressione 5 ha la funzione di fornire un calo di pressione predeterminato.
Secondo una forma di realizzazione dell'invenzione, il dispositivo di regolazione della pressione 5 è un orifizio 6. Tale orifizio 6 è configurato per restringere il flusso del fluido di lavoro all'interno della tubazione di ritorno 4 al fine di ottenere il desiderato calo di pressione predeterminato. In una forma di realizzazione alternativa dell'invenzione, il dispositivo di regolazione della pressione 5 è una valvola di regolazione (non mostrata). In questo caso, la valvola di regolazione è regolabile continuamente tra una configurazione aperta e una configurazione chiusa. Nella configurazione aperta il flusso del fluido di lavoro all'interno della tubazione dì ritorno 4 non è ristretto. Nella configurazione chiusa della valvola di regolazione la tubazione di ritorno 4 è totalmente ostruita. In questo modo è possibile regolare il calore di pressione predeterminato mentre la turbomacchina 100 è in funzione.
L'apparato 1 comprende anche un dispositivo di separazione 7 in comunicazione fluida con la seconda camera 3. Tale dispositivo di separazione 7 può essere connesso in comunicazione fluida con l'ambiente a bassa pressione “BP" della turbomacchina 100. Infatti, il dispositivo di separazione 7 è configurato per aspirare una miscela di lubrificante e fluido di lavoro dalla seconda camera 3. Infatti, la suddetta tubazione di drenaggio 8 è in comunicazione fluida con la seconda camera 3 e con il dispositivo di separazione 7. Il dispositivo di separazione 7 ha la funzione di separare il fluido di lavoro dal lubrificante.
In dettaglio, il dispositivo di separazione 7 ha una prima uscita 9 per il fluido di lavoro. Tale prima uscita 9 è disposta in comunicazione fluida con la tubazione di ritorno 4. Specificamente, l'uscita 9 è connessa alla tubazione di ritorno 4 a valle del dispositivo di regolazione della pressione 5. In maggiore dettaglio, un'ulteriore tubazione di ritorno 10 è collegata al dispositivo di separazione 7 e confluisce nella tubazione di ritorno 4 a valle del dispositivo di regolazione della pressione 5.
Il dispositivo di separazione 7 comprende un serbatoio 11. Tale serbatoio 11 è configurato per essere pressurizzato a una pressione operativa predeterminata. Tale pressione operativa predeterminata può essere qualunque valore sia appropriato per le circostanze ma maggiore della pressione deN'ambiente a bassa pressione “BP". Preferibilmente, la pressione all'interno del serbatoio 11 è compresa tra 1 e 6 bar.
11 dispositivo di separazione 7 comprende un dispositivo di riscaldamento 12 associato al serbatoio 11. Tale dispositivo di riscaldamento 12 ha la funzione di riscaldare la miscela di lubrificante e fluido di lavoro. In questo modo il fluido di lavoro, che ha un punto di ebollizione inferiore a quello del lubrificante, evapora. In ulteriore dettaglio, la prima uscita 9 è ubicata in un lato più' elevato del serbatoio 11 in modo che il vapore contenente principalmente il fluido di lavoro possa uscire dal serbatoio 11 senza mescolarsi di nuovo con il lubrificante liquido. Un setto poroso 16 è fissato alla prima uscita 9 e in comunicazione fluida con il serbatoio 11. Il setto poroso 16 è anche posto in comunicazione fluida con l'ulteriore tubazione di ritorno 10. In questo modo, le gocce di liquido di lavoro possono essere rimosse dal vapore a monte dell'ulteriore tubazione di ritorno 10. Tale setto poroso 16 è di per sé stesso noto alle persone esperte in materia, e pertanto non verrà descritto in ulteriore dettaglio.
Una seconda uscita 13 è ubicata su un lato più basso del serbatoio 11. In questo modo, il fluido che fuoriesce dal serbatoio 11 attraverso la seconda uscita contiene prevalentemente olio. La seconda uscita 13 è collegabile in comunicazione fluida con un serbatoio dell'olio 108 che è parte del circuito di lubrificazione 106.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) per realizzare una tenuta di fluido in un ambiente interno di una turbomacchina, comprendente una prima camera (2) collegabile in comunicazione fluida con l'ambiente -ad alta pressione (AP) di una turbomacchina (100) in modo che un fluido di lavoro possa fluire daN'ambiente ad alta pressione (AP) verso la prima camera (2); una seconda camera (3) in comunicazione fluida con un circuito di lubrificazione (106) in modo che un lubrificante possa fluire da detto circuito di lubrificazione (106) verso detta seconda camera (3); essendo dette camere prima (2) e seconda (3) disposte in comunicazione fluida l'una con l'altra in modo che il fluido di lavoro possa fluire dalla prima (2) alla seconda camera (3); laddove l'apparato (1) comprende una tubazione di ritorno (4) per detto fluido di lavoro in comunicazione fluida con detta prima camera (2) e collegabile in comunicazione fluida con un ambiente a bassa pressione (BP) di detta turbomacchina (100) in modo che detto fluido di lavoro possa fluire da detta prima camera (2) a detto ambiente a bassa pressione (BP); un dispositivo di regolazione della pressione (5) lungo detta tubazione di ritorno (4) configurato per fornire un calo di pressione predeterminato.
  2. 2. Apparato (1) secondo la rivendicazione precedente, comprendente anche un dispositivo di separazione (7) in comunicazione fluida con detta seconda camera (3) e collegabile in comunicazione fluida con detto ambiente a bassa pressione (BP), essendo detto dispositivo di separazione (7) configurato per aspirare una miscela di lubrificante e fluido di lavoro da detta seconda camera (3) e per separare detto fluido di lavoro da detto lubrificante; detto dispositivo di separazione (7) avente una prima uscita (9) per detto fluido di lavoro; essendo detta prima uscita (9) in comunicazione fluida con detto tubo di ritorno (4). -
  3. 3. Apparato (1 ) secondo la rivendicazione precedente, laddove detta prima uscita (9) è collegata a detta tubazione di ritorno (4) a valle di detto dispositivo di regolazione della pressione (5).
  4. 4. Apparato (1) secondo la rivendicazione 2 o 3, laddove detto dispositivo di separazione (7) comprende un serbatoio (11) configurato per essere pressurizzato a una pressione operativa predeterminata superiore alla pressione di detto ambiente a bassa pressione (BP).
  5. 5. Apparato (1) secondo la rivendicazione precedente, laddove la pressione operativa predeterminata di detto serbatoio è compresa tra 1 e 6 bar.
  6. 6. Apparato (1 ) secondo la rivendicazione 4 o 5, laddove detto dispositivo di separazione (7) comprende un dispositivo di riscaldamento (12) associato a detto serbatoio (11) e configurato per riscaldare detta miscela di lubrificante e fluido di lavoro.
  7. 7. Apparato (1) secondo qualsivoglia delle rivendicazioni precedenti, laddove detto dispositivo di regolazione della pressione (5) è un orifizio (6) configurato per restringere il flusso di detto fluido di lavoro all'interno di detta tubazione di ritorno (4).
  8. 8. Apparato (1) secondo qualsivoglia rivendicazione da 1 a 6, laddove detto dispositivo di regolazione della pressione (5) è una valvola di regolazione.
  9. 9. Apparato (1 ) secondo la rivendicazione precedente, laddove detta valvola di regolazione è regolabile continuamente tra una configurazione aperta in cui il flusso di detto fluido di lavoro all'interno di detta tubazione di ritorno (4) non è ristretto e una configurazione chiusa in cui detta tubazione di ritorno (4) è totalmente ostruita.
  10. 10. Apparato (1) secondo qualsivoglia delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche una tenuta (14) tra detta prima (2) e detta seconda camera (3).
  11. 11. Apparato (1) secondo qualsivoglia delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche un'ulteriore tenuta (15) tra la prima camera (2) e l'ambiente ad alta pressione (AP).
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