ITFI20090151A1

ITFI20090151A1 - Distributori palettati statorici modulari per turbine geotermiche ad azione e a reazione

Info

Publication number: ITFI20090151A1
Application number: IT000151A
Authority: IT
Inventors: Claudio Bianchi; Francesco Lazzeri
Original assignee: Enel Green Power Spa
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2011-01-09

Description

DISTRIBUTORI PALETTATI STATORICI MODULARI PER TURBINE

GEOTERMICHE AD AZIONE E A REAZIONE

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale al settore delle tecnologie costruttive di turbine, sia ad azione che a reazione, per impianti di produzione di energia elettrica da vapore geotermico. Più precisamente, l'invenzione ha per oggetto nuovi distributori palettati statorici, in particolare anelli palettati di turbine a reazione e diaframmi di turbine ad azione, con caratteristiche di durata e manutenibilità superiori rispetto ai simili sistemi fluodinamici statorici di tipo noto.

Come è noto, nelle turbine a vapor d'acqua l'energia viene trasferita dal vapore all'albero della turbina mediante espansioni successive del vapore negli ugelli statorici. Durante l'espansione l'energia termica viene convertita in energia cinetica che viene ceduta alle pale rotoriche estendentisi radialmente dall'albero della turbina, che viene quindi portato in rotazione. Per uno sfruttamento ottimale dell'energia contenuta nel vapore, l'espansione del vapore avviene in stadi successivi normalmente susseguentisi assialmente, per cui la direzione del flusso del vapore in espansione risulta anch'essa sostanzialmente assiale.

Nelle turbine geotermiche ad azione i distributori palettati statorici di ogni stadio sono costituiti da diaframmi formati (si veda la figura 1) da un anello forgiato esterno 101, bandelle 102, ugelli 105, un anello forgiato interno 103 e relativa tenuta d’albero. L'anello esterno è fissato alla cassa della turbina, non mostrata, mentre l'anello interno porta la tenuta sull'albero della turbina, anch’esso non mostrato. La tradizionale procedura di fabbricazione prevede la saldatura degli ugelli 105 alle bandelle 102 per ottenere la cosiddetta "gabbietta ugelli", la quale viene successivamente saldata agli anelli esterno 101 e interno 102. La figura 1 mostra la sezione di un diaframma di alta pressione, prevalentemente utilizzato sul vapore surriscaldato, realizzato in questo modo in cui sono evidenziate, a tratteggio, le saldature. Nella figura 2 è invece mostrata la sezione di un diaframma di media pressione (prevalentemente utilizzato dove il vapore surriscaldato passa a vapore saturo, con i componenti sopra citati, nella quale sono evidenziate le zone dove più frequentemente si verificano abrasioni e corrosioni In particolare, le aree soggette a maggiore corrosione sono sugli ugelli, in corrispondenza della sezione di uscita del vapore, e sull'anello interno, mentre zone di abrasione si presentano maggiormente sull'anello esterno e in aree circoscritte degli ugelli, lato ingresso vapore. Questi fenomeni corrosivi e abrasivi sono dovuti al fatto che negli impianti geotermici viene utilizzato direttamente il vapore così come estratto dal sottosuolo, vapore che contiene sali minerali e acidi caratterizzati da una elevata aggressività chimica, la cui entità varia da un sito estrattivo ad un altro, e può anche variare nel tempo nello stesso sito estrattivo. Questi fenomeni sono inoltre accentuati negli stadi espansivi in cui il vapore passa dallo stato surriscaldato a quello saturo (dew-point); le parti primariamente aggredite sono quelle in materiale meno nobile, i punti freddi e le saldature. La corrosione riduce drasticamente la durabilità dei diaframmi.

I diaframmi di tipo tradizionale, come quelli sopra descritti, necessitano di revisioni con una periodicità ravvicinata rispetto alle esigenze manutentive dei macchinari termoelettrici, che è di circa 8 - 10 anni, e degli altri macchinari geotermici, che è di circa 4 anni. Nel caso dei diaframmi delle turbine per usi geotermici, il periodo di revisione si può ridurre a 2 anni, periodo che, data l'elevata corrosività del fluido, può anche dimezzarsi per quegli stadi posti in corrispondenza del dew-point. Con questa frequenza di revisioni i costi di riparazione e fermo impianto sono elevati; inoltre, si manifesta un progressivo calo di prestazioni che si traduce in un aumento di consumo specifico tra una revisione e la successiva e, dopo la riparazione, non è comunque garantita una performance come da progetto originale.

Pur presentando il vantaggio di un costo contenuto, i diaframmi realizzati con la tecnica tradizionale sono di qualità non elevata. Infatti, le saldature presenti generano inevitabili difetti geometrici dovuti sia ad errori di posizionamento in fase di montaggio, sia a tensioni residue nel giunto che lo rendono più predisposto alla corrosione. In rapporto alla loro durata, l'economia conseguita è da considerarsi insoddisfacente.

Va rilevato anche che i componenti dei diaframmi saldati sono costituiti da materiali la cui scelta è dettata principalmente dalla saldabilità piuttosto che da caratteristiche quali la resistenza a corrosione ed erosione. Questa tecnologia presenta quindi limitazioni nell'utilizzo di leghe che, sebbene siano idonee al chimismo del vapore geotermico, sono scarsamente saldabili e quindi non utilizzabili.

Nelle turbine geotermiche a reazione i distributori palettati statorici sono costituiti da anelli composti da ugelli o palette 112, tettucci 113 e distanziali 114, fabbricati singolarmente da barra o per stampaggio, e da un anello 111 portante le palette. Un distributore palettato noto di questo tipo è illustrato nella figura 3. L'assemblaggio avviene inserendo le singole palette 112 alternate ai distanziali 114 su più file ad una ad una nell'anello 111 portapalette, quindi eventuale assemblaggio con tettucci 113, ribaditura dei pioli e finitura meccanica dell’interno al diametro di tenuta. La procedura di assemblaggio prevede di posizionare per prima la paletta posta al centro di un semianello 111, nella gola in esso ricavata, e di procedere quindi con il posizionamento delle palette a destra e a sinistra di quella centrale bloccando via via i distanziali con zeppe 115. Lo scorrimento radiale delle palette è impedito dal riscontro di un loro dente laterale con un corrispondente risalto ricavato nella gola dell'anello in cui la paletta viene impegnata. il riscontro è assicurato dall'inserimento forzato della relativa zeppa 115.

Anche nel caso delle file di palette statoriche così assemblate si manifestano problematiche di corrosione ed erosione dovute all'aggressività del vapore impiegato e principalmente alla corrosione sotto deposito, già descritte per i diaframmi delle turbine ad azione. Ma il problema maggiore degli anelli palettati è rappresentato dalla impossibilità di riparazione delle palette, in quanto le file, assemblate come sopra descritto, non sono smontabili e, contrariamente alla tipologia discata, non consentono un rapido cambio di assetto della turbina al variare delle condizioni di esercizio della stessa, per cui tale cambio può ottenersi solo distruggendo le file di palette. La successiva ripalettatura risulta lunga e onerosa e non può essere eseguita in ombra alla revisione di una centrale. Inoltre, è richiesta anche una specifica manualità degli operatori per ottenere una sufficiente precisione e qualità in fase di montaggio.

Lo scopo generale della presente invenzione è di fornire un sistema di distribuzione fluodinamica interstadio per turbine a vapore utilizzabili nel settore geotermico che consenta di ovviare agli inconvenienti e alle criticità riscontrate nella tecnica nota, in particolare per quanto riguarda flessibilità operativa, esigenze di manutenzione ed economicità.

Uno scopo particolare della presente invenzione è di fornire distributori palettati statorici, sotto forma di diaframmi palettati per turbine ad azione o anelli palettati per turbine a reazione, presentanti migliori caratteristiche di durata, flessibilità e manutenibilità.

Un altro scopo della presente invenzione è di fornire distributori palettati statorici del tipo suddetto caratterizzati da una maggiore precisione geometrica degli ugelli e dall’assenza di tensioni o deformazioni conseguenti alle alterazioni termiche tipiche dei diaframmi saldati.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è di fornire distributori palettati statorici del tipo suddetto con disegno delle interfacce assemblate meccanicamente in modo modulare, consentendo di:

a. cambiare materiale dei vari componenti al variare del tipo di fluido (adduzione di fluidi derivanti da nuovi pozzi)

b. cambiare il design fluodinamico e il numero delle pale in funzione del tipo di pale montate sul rotore (pale free standing, con tettuccio integrato e con tettuccio ribadito.

Questi scopi vengono raggiunti con i distributori palettati statorici modulari per turbine geotermiche ad azione e a reazione secondo la presente invenzione, le cui caratteristiche essenziali sono riportate nella rivendicazione 1. Ulteriori importanti caratteristiche sono riportate nelle rivendicazioni dipendenti.

Secondo un importante aspetto dell’invenzione, un distributore palettato statorico per turbine geotermiche ad azione o a reazione comprende almeno un anello di supporto e almeno un anello degli ugelli comprendente una fila di palette e portato da detto anello di supporto, in cui il detto almeno un anello degli ugelli è modulare e sono previsti mezzi di connessione meccanica reversibile senza saldature per connettere l’anello degli ugelli almeno all’anello di supporto. In particolare, il distributore palettato secondo l’invenzione è un diaframma palettato o un anello palettato.

Ricorrendo, secondo l'invenzione, ad un assemblaggio meccanico reversibile delle pale statoriche è possibile ottenere miglioramenti sotto ognuno degli aspetti di criticità sopra ricordati.

Le caratteristiche e i vantaggi dei distributori palettati statorici modulari per turbine geotermiche ad azione e a reazione secondo l’invenzione risulteranno chiare dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi in cui:

la figura 1 è una vista schematica radiale di un diaframma palettato per alta pressione secondo la tecnica nota mostrante la posizione delle saldature;

la figura 2 è una vista schematica radiale di un diaframma palettato per media pressione secondo la tecnica nota mostrante i principali punti di corrosione e aggressione chimica;

la figura 3 è una vista prospettica schematica, parzialmente esplosa, di una porzione di semianello di un anello portapale secondo la tecnica nota;

la figura 4 è una vista schematica radiale di un diaframma palettato secondo la presente invenzione;

la figura 5 è una vista prospettica esplosa di una metà di un diaframma palettato secondo l’invenzione;

la figura 6 è una vista prospettica in sezione di una variante realizzativa di un diaframma secondo l’invenzione, in cui gli ugelli sono realizzati a gruppi per microfusione;

la figura 7 è una vista prospettica di una metà di un diaframma palettato secondo l’invenzione, realizzato in pezzo unico;

la figura 8 è una vista prospettica esplosa di anello portapale per turbina a reazione con tre “anelli simulacri” e due anelli palettati da montare;

la figura 9 è una vista prospettica dell'anello portapale di figura 8 in condizione montata;

la figura 10 è una vista prospettica di un anello palettato per turbina a reazione secondo l’invenzione in pezzo unico.

Con riferimento alle figure 4 e 5, un diaframma palettato secondo l’invenzione si compone di un anello esterno 1, che viene fissato al corpo turbina (non mostrato) in modo noto, un anello degli ugelli 2 fissato all’anello esterno 1 e comprendente una corona di ugelli 5, un anello interno 3, fissato all’anello degli ugelli 2, e una tenuta d’albero 4 fissata al bordo libero interno dell’anello interno 3. Secondo l'invenzione, l'assemblaggio di questi componenti è realizzato meccanicamente. L’anello degli ugelli 2 presenta due appendici circolari di connessione 2a e 2b che si incastrano con precisione entro corrispondenti gole 1a e 3a perimetrali ricavate sull’anello esterno 1 e, rispettivamente, sull’anello interno 3, per realizzare un collegamento stabile, ma reversibile.

L’anello degli ugelli 2 è realizzato in moduli o settori in numero dipendente dalla tecnologia utilizzata e dalle dimensioni. Ad esempio, come mostrato in figura 5, la produzione degli anelli degli ugelli mediante fresatura ad alta velocità e/o finitura per elettroerosione consente di realizzare l’anello degli ugelli in due metà (una sola delle quali è mostrata), o al più in quattro settori e l’assemblaggio con gli anelli esterno e con quello interno è ottenuto mediante spine calibrate trasversali 14. Utilizzando invece un processo produttivo di microfusione a cera persa, si possono ottenere settori di ugelli in numero dipendente dalle dimensioni e dal peso del settore stesso. I grappoli del modello di cera hanno infatti un peso massimo ammissibile che limita questa tecnologia. Nella figura 6 è mostrato un diaframma assemblato utilizzando settori di ugelli, uno solo dei quali è mostrato e indicato con 7, realizzati in cera persa. In questo caso l’accoppiamento è ottenuto ad incastro e con zeppe di bloccaggio 6 tra anello esterno 1 e ciascun settore di ugelli 7, mentre è ottenuto tramite incastro e spine calibrate trasversali 14 di bloccaggio tra ciascun settore di ugelli 7 e l’anello interno 3.

I diaframmi possono anche essere realizzati in moduli in cui l’anello esterno 1, l’anello interno 3 e l’anello degli ugelli 2 costituiscono un unico pezzo attraverso lavorazione alle macchine utensili per asportazione di truciolo e/o finitura degli ugelli per elettroerosione. Una metà di un diaframma così realizzato è illustrato in figura 7 e questa soluzione risulta economicamente conveniente per i primi stadi statorici caratterizzati da dimensioni minori e spesso attraversati da vapore geotermico surriscaldato.

Secondo l’invenzione anche gli anelli portapale, impiegati nelle turbine a reazione, possono essere realizzati mediante assemblaggio modulare di anelli palettati in due metà o in più settori di ugelli che sono già assemblati meccanicamente, come illustrato nelle figure 8 e 9. Nella figura 8 è mostrata una vista esplosa di un semianello portapale secondo l’invenzione e in essa è indicato con 10 una metà dell’anello di supporto su cui sono ricavate gole perimetrali 10a parallele e radiali e con 11 un semianello integrale su cui sono ricavati di lavorazione meccanica gli ugelli o palette 12. Ulteriori semianelli 11 di ugelli 12 vengono poi affiancati al semianello 11 per realizzare l’anello portapale a più semianelli palettati 11, ciascuno fissato al fondo della rispettiva gola 10a tramite grani filettati 15 che si impegnano in una sede circonferenziale formata in parte (16a) sul bordo del semianello 11 e in parte (16b) sul fondo della gola 10a.. Il semianello portapale in forma assemblata è poi mostrato nella figura 9. Nelle figure 8 e 9 è anche illustrata la possibilità di impiego di anelli simulacro 13, cioè anelli senza palette, che possono risultare necessari in particolari situazioni operative.

Gli anelli palettati possono essere realizzati in moduli integrali di due metà (vedere figura 10), quattro parti o altre ripartizioni a seconda delle esigenze. La lavorazione con fresatura ad alta velocità con finitura delle palette mediante elettroerosione consente di ottenere anelli in due metà o in quattro quarti in funzione delle dimensioni del pezzo.

L’assemblaggio meccanico consente di realizzare i diaframmi in materiali eterogenei, senza problemi di saldabilità, e di utilizzare quindi qualsiasi tipo di lega con caratteristiche adatte all’impiego specifico del componente, in funzione delle criticità a cui è sottoposto. In particolare, il nuovo design consente l’utilizzo di leghe e acciai inox la cui scelta prescinde dai vincoli derivanti dalla saldabilità di materiali diversi. In questo modo i componenti del diaframma possono essere fabbricati nel materiale ritenuto più idoneo, che può anche essere trattato con un rivestimento superficiale, in funzione delle caratteristiche del vapore in ogni stadio di turbina. Questa flessibilità progettuale si risolve in un aumento della durata complessiva del diaframma, consentendo di raggiungere periodicità di revisione compatibili con il target previsto di quattro anni con cali di prestazioni trascurabili o comunque accettabili.

La realizzazione dei diaframmi e degli anelli palettati assemblati meccanicamente comporta inoltre una notevole riduzione dei tempi di montaggio e smontaggio. In particolare, per gli anelli palettati di macchine a reazione in fase di revisione, possono:

a. essere sostituite o riparate solo le parti compromesse anziché tutto l’anello portapale che può essere di tre, quattro, cinque o sette stadi,

b. essere cambiati gli assetti di macchina posizionando, al posto di un anello palettato, un anello simulacro 13 o viceversa, come mostrato nelle figure 8 e 9.

Infine, l'utilizzo di anelli palettati in moduli semicircolari o in quadranti supera la necessità di prevedere un mezzo che assicuri l'assenza di scorrimento radiale delle palette, necessità che, nella tecnica nota, comporta l'adozione di soluzioni che di fatto rendono impossibile lo smontaggio dell'anello portapale.

Anche se, rispetto alla tecnologia tradizionale, i componenti dei diaframmi e degli anelli palettati secondo l’invenzione possono comportare un costo maggiore, tale aumento di costo è ampiamente sostenibile economicamente e compensato dalle migliori qualità in termini di durata e garanzia di performance nel tempo.

Varianti e/o modifiche potranno essere apportate ai distributori palettati modulari per turbine geotermiche ad azione e a reazione secondo la presente invenzione senza per questo uscire dall’ambito protettivo dell’invenzione medesima come definita nelle rivendicazioni seguenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Distributore palettato statorico per turbine geotermiche ad azione o a reazione, comprendente almeno un anello di supporto (1,3,10) e almeno un anello degli ugelli (2,11) comprendente una fila di palette (5) e portato da detto anello di supporto, caratterizzato dal fatto che detto almeno un anello degli ugelli (2,11) è modulare e sono previsti mezzi di connessione meccanica (6, 14, 15) reversibili e senza saldature per connettere detto almeno un anello degli ugelli (2, 11) a detto almeno un anello di supporto (1,3,10).
2. Distributore palettato secondo la rivendicazione 1, formante un diaframma palettato per turbine ad azione, in cui è previsto un anello di supporto esterno (1) e un anello di supporto interno (3) e detto anello degli ugelli (2), realizzato in moduli o settori, è connesso a detti anelli di supporto esterno (1) ed interno (3) per mezzo di rispettive appendici anulari (2a, 2b) fissate tramite spine trasversali (14) e/o zeppe (6) entro corrispondenti gole (1a, 3a) di detti anelli di supporto (1,3).
3. Distributore palettato secondo la rivendicazione 2, in cui detto anello degli ugelli (2) è realizzato in un unico pezzo in moduli o settori.
4. Distributore palettato secondo la rivendicazione 1 formante un anello portapale per turbine a reazione, in cui detto anello di supporto (10) comprende più gole perimetrali (10a) parallele ricavate radialmente entro cui sono fissati, in modo rimuovibile tramite grani filettati di bloccaggio (15), moduli o settori di anelli (11) portanti palette radiali (12).
5. Distributore palettato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti anelli degli ugelli (2, 11) modulari sono realizzati mediante fresatura ad alta velocità e/o finitura per elettroerosione.
6. Distributore palettato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti anelli degli ugelli (2, 11) sono realizzati in microfusione a cera persa.
7. Distributore palettato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui detti anelli degli ugelli sono realizzati mediante lavorazione alle macchine utensili per asportazione di truciolo e/o finitura degli ugelli per elettroerosione.