ITFI20130261A1 - "centrifugal compressor impeller with blades having an s-shaped trailing edge" - Google Patents
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Description
"GIRANTE DI COMPRESSORE CENTIRIFUGO CON PALE AVENTI UN BORDO DI USCITA A FORMA DI S”
DESCRIZIONE
CAMPO DELL’INVENZIONE
L’oggetto qui descritto riguarda miglioramenti ai compressori e più in particolare compressori centrifughi.
BASE DELL’INVENZIONE
I compressori centrifughi convertono energia meccanica fornita da un motore primo, quale un motore elettrico, una turbina a gas, una turbina a vapore o simile, in energia di pressione per aumentare la pressione di un gas che fluisce attraverso il compressore. Un compressore comprende sostanzialmente una cassa che alloggia in modo rotativo un rotore e un diaframma. Il rotore può comprendere una o più giranti, che sono portate in rotazione dal motore primo. Le giranti sono provviste di pale aventi una sezione di ingresso genericamente assiale e una sezione di uscita genericamente radiale. Canali di flusso vengono delimitati dalle pale e da una piastra o disco tergale della girante. In alcuni compressori la girante è provvista di un controdisco contrapposto alla piastra o disco tergale, le pale estendendosi tra la piastra o disco tergale e il contro-disco. Il gas entra nei canali di flusso di ciascuna girante assialmente e viene accelerato dalle pale della girante ed esce dalla girante radialmente o in modo misto radiale-assiale nel piano meridiano. Il gas accelerato viene alimentato da ciascuna girante attraverso un diffusore disposto circonferenzialmente dove l’energia cinetica del gas è almeno parzialmente convertita in energia di pressione, aumentando la pressione del gas.
La quantità di energia fornita dal motore primo e assorbita dal compressore non può essere completamente convertita in energia di pressione utile, cioè in un aumento di pressione nel fluido, a causa di fenomeni di dissipazione di vario tipo che coinvolgono il compressore nel suo complesso. Alcune perdite sono provocate da una vorticità secondaria, che viene generata attraverso l’intero passaggio delle pale. accumulandosi in vicinanza dei bordi di uscita delle pale, all’uscita della girante.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Secondo un primo aspetto, la presente descrizione riguarda una girante di compressore centrifugo, comprendente un ingresso, una uscita ed un disco che si sviluppa dall’ingresso all’uscita. Una pluralità di pale si estendono dal disco, ciascuna pala avendo un bordo di attacco e un bordo di uscita, una base della pala e una punta della pala. La base della pala e la punta della pala si estendono fra il bordo di attacco ed il bordo di uscita della rispettiva pala. Ciascuna pala ha inoltre un lato di pressione e un lato di aspirazione. Il bordo di uscita di ciascuna pala è sagomato ad S, cosicché il bordo di uscita ha una porzione di bordo di uscita concava ed una porzione di bordo di uscita convessa su entrambi i lati di pressione e di aspirazione, con un punto di flesso fra le due porzioni del bordo di uscita.
I lati di aspirazione e di pressione di ciascuna pala sono così definiti da superfici non rigate, cioè entrambi i lati di ciascuna pala hanno una forma curva tridimensionale. Si ottiene una migliorata efficienza del compressore.
Secondo alcune forme di realizzazione la porzione concava e la porzione convessa del bordo di uscita di ciascuna pala sono disposte cosicché una prima porzione del bordo di uscita più vicina alla base della pala ha una convessità rivolta verso il lato di pressione della pala e una seconda porzione del bordo di uscita, più distante dalla base della pala ha una convessità rivolta verso il lato di aspirazione della pala.
Secondo un ulteriore aspetto, la presente descrizione riguarda un compressore centrifugo comprendente almeno una girante, come sopra descritta, e un diffusore disposto attorno all’uscita di detta girante. In forme di realizzazione preferite, il compressore è un compressore multistadio, in cui almeno una e preferibilmente alcune o tutte le giranti sono progettate come sopra descritte, con un bordo di uscita sagomato ad S.
Secondo ancora un ulteriore aspetto, la presente descrizione riguarda un metodo per progettare una girante di compressore, comprendente le seguente fasi:
definire un profilo di base della pala lungo un disco di girante e un profilo di punta della pala in un piano meridiano;
definire una superficie su un lato di pressione e una superficie su un lato di aspirazione della pala come superfici rigate che si estendono fra la superficie di base della pala e il profilo di punta della pala, detta superficie sul lato di pressione e detta superficie sul lato di aspirazione estendendosi fra un bordo di uscita rettilineo e un bordo di attacco rettilineo di detta pala;
trasformare le superfici rigate in superfici non rigate spostando punti del bordo di uscita lungo una direzione tangenziale, impartendo in tal modo una forma ad S a detto bordo di uscita avente una porzione concava, una porzione convessa e un punto di flesso tra di esse.
Caratteristiche forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.
Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la
la fig. 1 illustra una sezione longitudinale di un compressore centrifugo multistadio, in cui possono essere usate giranti secondo la presente descrizione;
la fig.1A illustra un ingrandimento di una pala di girante del compressore della fig. 1;
la fig. 2 illustra una vista prospettica di una girante del compressore centrifugo di fig.1;
la fig. 3 illustra un diagramma schematico di una proiezione di una pala in un piano meridiano;
la fig. 4 illustra un diagramma definente un angolo di metallo di una pala di girante;
le figg. 5 e 6 illustrano diagrammi rappresentanti lo spessore della pala e l’angolo di metallo della pala della fig. 3 lungo la direzione assiale;
la fig. 7 illustra una vista prospettica di una pala tridimensionale secondo la presente descrizione;
la fig. 8 illustra una vista schematica in una direzione radiale di un bordo di uscita di una pala secondo la presente descrizione;
la fig. 9 illustra un diagramma dell’efficienza politropica in funzione del coefficiente di flusso di una girante dell’arte corrente e di una girante secondo la presente descrizione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE
La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni accluse.
Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.
Le figg. 1 e 1A illustrano una forma di realizzazione esemplificativa di un compressore centrifugo multistadio, complessivamente indicato con 100, in cui può essere incorporato l’oggetto qui descritto. La fig. 1 illustra una vista in sezione secondo un piano contenente un asse di rotazione A-A del compressore e la fig.1A illustra un ingrandimento di uno stadio di compressore.
Il compressore 100 ha una cassa esterna 1 provvista di un raccordo di ingresso 2 e di un raccordo di uscita 3. All’interno della cassa 1 sono disposti diversi componenti, che definiscono una pluralità di stadi di compressore.
Più specificamente, la cassa 1 alloggia un rotore del compressore. Il rotore del compressore comprende un albero di rotore 5. L’albero di rotore 5 può essere supportato da due cuscinetti di estremità 6, 7. Il rotore del compressore comprende inoltre almeno una girante. In alcune forme di realizzazione, come mostrato in Fig.1, il rotore del compressore comprende una pluralità di giranti 9, una girante per ciascuno stadio di compressore. Dette giranti 9 sono disposte fra i due cuscinetti 6, 7.
L’ingresso 9A della prima girante 9 è in comunicazione di fluido con un plenum di ingresso 11, nel quale gas che deve essere compresso viene alimentato attraverso il raccordo di ingresso 2. In alcune forme di realizzazione, il flusso di gas entra nel plenum di ingresso 11 radialmente e viene poi alimentato attraverso una serie di vani di guida di ingresso mobili 13 ed entra nella prima girante 9 in una direzione sostanzialmente assiale.
Secondo la forma di realizzazione esemplificativa della fig. 1, l’uscita 9B dell’ultima girante 9 è in comunicazione di fluido con una voluta 15, che raccoglie il gas compresso e lo alimenta verso il raccordo di uscita 3.
Diaframmi stazionari 17 sono disposti fra ciascuna coppia di giranti 9 disposte sequenzialmente. I diaframmi 17 possono essere formati come componenti separati, allineati assialmente. In altre forme di realizzazione i diaframmi 17 possono essere formati in due metà sostanzialmente simmetriche. Ciascun diaframma 17 definisce un diffusore 18 ed un canale di ritorno 19, che si estenda dall’uscita radiale della rispettiva girante 9 a monte all’ingresso della rispettiva girante 9 a valle. Nel diffusore 18 il flusso di gas viene rallentato e l’energia cinetica trasferita dalla girante al gas viene convertita in energia di pressione, in tal modo aumentando la pressione del gas.
Il canale di ritorno 19 riporta il flusso gassoso compresso dall’uscita della girante a monte verso l’ingresso della girante a valle. In alcune forme di realizzazione pale fisse 20 possono essere disposte nel diffusore 18. In alcune forme di realizzazione pale fisse 21 possono essere previste nei canali di ritorno 19, per rimuovere la componente tangenziale del flusso, mentre il gas compresso viene ridirezionato fra la girante a monte e la girante a valle.
Come meglio illustrato in fig. 1A, in cui è mostrato un ingrandimento di uno dei vari stadi del compressore 100 e in fig.2, dove è mostrata una vista assonometrica di una girante esemplificativa, ciascuna girante 9 comprende un disco 23 definente una porzione di mozzo 23A. Detta porzione di mozzo 23A ha un foro 23B attraverso il quale si sviluppa l’albero 5 del rotore. Il disco 23 viene a volte denominato mozzo nel suo complesso. Una pluralità di pale 25 si estendono dal disco 23 e definiscono canali di flusso, attraverso i quali il gas fluisce e viene accelerato dalle pale 25. Ciascuna pala ha un bordo di attacco 25L e un bordo di uscita 25T disposti rispettivamente all’ingresso e all’uscita della pala. In alcune forme di realizzazione, la girante 9 può essere aperta. In altre forme di realizzazione la girante può essere chiusa da un controdisco 27, disposto contrapposto al disco 23, le pale 25 estendendosi fra disco 23 e controdisco 27.
Ciascuna pala 25 è provvista di una punta di pala 25A che si estende lungo il controdisco 27, fra il bordo di attacco 25L e il bordo di uscita 25T. Ciascuna pala 25 è inoltre provvista di una base di pala o radice di pala 25B che si estende lungo il disco 23 fra il bordo di attacco 25L e il bordo di uscita 25T.
Ciascuna pala 25 ha un lato di aspirazione e un lato di pressione e la forma della pala viene definita nella maniera sotto descritta, partendo dall’intersezione della linea mediana o camber line della pala 25 con il disco 23 e il controdisco 27, rispettivamente. La fig. 3 illustra una proiezione di una generica pala 25 in un piano meridiano, cioè nel piano R-Z, in cui R è la direzione radiale e Z è la direzione assiale. L1 è la proiezione nel piano meridiano R-Z della linea centrale, cioè della camber line del profilo di pala al disco 23. L2 è la proiezione nello stesso piano meridiano R-Z della linea centrale, cioè della camber line del profilo di pala, al controdisco 27.
Come sopra osservato, la girante 9 può essere provvista di controdisco come mostrato nella forma di realizzazione esemplificativa illustrata nei disegni. Tuttavia, in altre forme di realizzazione, non mostrate, la girante 9 è aperta e il controdisco 27 non viene previsto. In questo caso la linea L2 è semplicemente la proiezione della camber line o linea centrale lungo la punta 25A della pala sul piano meridiano R-Z.
Queste linee L1 e L2 sono i punti di partenza per realizzare le superfici tridimensionali del lato di aspirazione e del lato di pressione della pala, come segue.
Partendo dalle due linee L1 e L2, la forma effettiva delle opposte superfici della pala 25, definenti il lato di aspirazione e il lato di pressione della pala sono determinate per mezzo di due parametri addizionali, cioè lo spessore di pala e l’angolo di metallo della pala. Entrambi i parametri vengono definiti per una pluralità di posizioni lungo ciascuna linea L1 e L2. In alcune forme di realizzazione, l’angolo di metallo della pala e lo spessore della pala possono avere differenti valori per la linea L1 e la linea L2.
L’angolo di metallo ß della pala in ciascun punto della linea L1 o L2 considerata è definito come l’angolo fra la tangente alla linea L1 o L2 e la direzione meridiana (M), come mostrato in Fig. 4, che illustra una vista schematica frontale della girante ed L è la generica linea centrale considerata. La freccia F indica la direzione di rotazione della girante. Convenzionalmente, il segno dell’angolo ß è concorde con il verso di rotazione della girante. Pertanto, nell’esempio della fig.4 l’angolo ß è negativo, in quanto esso è misurato a partire dalla direzione meridiana M ed è opposto al verso di rotazione della girante (freccia F).
Lo spessore (th) della pala è definito come la distanza fra la superficie del lato di aspirazione e la superficie del lato di pressione della pala dalla camber line (cioè dalla linea centrale) della pala in ciascun punto della curva L1 o L2 considerata. Le figure 5 e 6 illustrano schematicamente la distribuzione dell’angolo di metallo (ß) e dello spessore (th) per una pala esemplificativa. Sull’asse orizzontale dei diagrammi delle figg. 5 e 6 è mostrata la coordinata normalizzata lungo la direzione meridiana. La coordinata “0” indica la posizione del bordo di attacco e la coordinata “1” indica la posizione del bordo di uscita della pala.
La combinazione dei parametri sopra definiti fornisce il profilo della pala alla punta di pala 25A e alla base di pala 25B. la fase successiva per definire la superficie del lato di pressione del lato di aspirazione della pala è adesso la generazione di due opposte superfici rigate a partire dai due profili di pala alla punta di pala 25A e alla base di pala 25B come sopra definiti. Le superfici rigate sono generate collegando ciascun punto del profilo alla punta di pala con il corrispondente punto del profilo alla base di pala con una linea retta (diritta).
La geometria della pala non è ancora completamente definita poiché le curve L1 e L2 e i corrispondenti profili alla punta della pala e alla base della pala sono normalmente sfalsati, cioè sono spostati l’uno rispetto all’altro, in direzione tangenziale ruotando il profilo alla punta della pala e il profilo alla base della pala, l’uno rispetto all’altro attorno all’asse di rotazione della girante. Un ulteriore grado di libertà è quindi disponibile per la completa definizione della geometria della pala, dato dal possibile spostamento tangenziale delle due curve L1 e L2. Nelle giranti dell’arte corrente le due curve L1 e L2 sono spostate tangenzialmente, cioè ruotate l’una rispetto all’altra attorno all’asse della girante, inclinando in tal modo il bordo di uscita 25T rispetto alla direzione assiale (per una girante avente una uscita puramente radiale) mantenendo la sua forma rettilinea (diritta). L’inclinazione del bordo di uscita rispetto alla direzione assiale denominata angolo di lean, definisce, insieme ai parametri sopra menzionati, l’intera geometria della pala.
Viceversa, secondo l’oggetto qui descritto, il profilo della punta di pala e il profilo della base di pala e i profili intermedi fra la punta di pala e la base di pala sono spostati nella direzione tangenziale cosicché il bordo di uscita 25T diviene non rettilineo e più specificamente assume un profilo ad S come mostrato in fig.7 in una vista prospettica e in fig.8 in una vista laterale. Più specificamente, la fig.7 illustra una singola pala 25 in una vista prospettica con il bordo di uscita 25T rivolto verso l’osservatore.
Il bordo di uscita 25T ha una prima porzione 25TDed una seconda porzione 25TS.La prima porzione 25TDè disposta vicino al disco 23 e la seconda porzione 25TSè disposta vicino al controdisco 27 (vedasi in particolare figura 8).
In alcune forme esemplificative di realizzazione, la prima porzione 25TDdel bordo di uscita più vicina al disco 23 ha una convessità rivolta verso il lato di pressione PS della pala e una concavità rivolta verso il lato di aspirazione SS della pala. Il lato di pressione PS della pala è il lato rivolto in avanti rispetto al verso di rotazione F e il lato di aspirazione SS della pala è il lato tergale rispetto al verso di rotazione F, cioè il lato opposto al lato di pressione. La seconda porzione 25TSdel bordo di uscita 25T ha una disposizione opposta: il lato di pressione è concavo e il lato di pressione è convesso.
Non si esclude una disposizione invertita in cui la convessità è rivolta verso il lato di aspirazione in prossimità del disco e verso il lato di pressione in vicinanza del controdisco.
In alcune forme di realizzazione la prima porzione e la seconda porzione del bordo di uscita si uniscono l’una all’altra in un punto di flesso, cosicché l’intero bordo di uscita è curvo e privo di porzioni rettilinee.
La configurazione a forma di S del bordo di uscita è ottenuta prevedendo una idonea regola di spostamento di ciascun punto del bordo di uscita nella direzione tangenziale cioè attorno all’asse di rotazione della girante. Infatti, la forma del bordo di uscita può essere ottenuta ad esempio partendo dal profilo di base della pala (o dal profilo di punta della pala), spostando tangenzialmente una pluralità di punti lungo il bordo di uscita e collegando detti punti per interpolazione. Lo spostamento dei vari punti del bordo di uscita nella direzione tangenziale provoca uno spostamento rigido dei rimanenti punti della superficie del lato di pressione e della superficie del lato di aspirazione precedentemente generate come superfici rigate a partire dal profilo di base della pala e dal profilo di punta della pala ottenuti dalle linee L1 e L2 e dalla distribuzione dello spessore di pala e dell’angolo di metallo lungo di esse.
Come risultato finale, le intere superfici di entrambi i lati di pressione e di aspirazione della girante diventeranno delle superfici non rigate aventi una doppia curvatura.
La doppia curvatura a forma di S del bordo di uscita 25T della pala riduce le perdite aumentando l’efficienza politropica del compressore. Questo può essere compreso dalla fig. 9 che illustra l’efficienza politropica in funzione del coefficiente di flusso in uno stadio di compressore utilizzante una girante avente un bordo di uscita sagomato ad S (curva C1), e di uno stadio di compressore che utilizza una girante avente un bordo di uscita rettilineo (curva C2). In condizioni fuori progetto (coefficiente di flusso inferiore o superiore a 100), l’efficienza politropica della girante avente bordi di uscita 25T a forma di S è marcatamente migliorata rispetto alla realizzazione secondo l’arte corrente con bordi di uscita rettilinei.
Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.
Claims (7)
- "GIRANTE DI COMPRESSORE CENTIRIFUGO CON PALE AVENTI UN BORDO DI USCITA A FORMA DI S” RIVENDICAZIONI 1. Una girante di compressore centrifugo comprendente: un ingresso; una uscita; un disco che si estende da detto ingresso a detta uscita; una pluralità di pale estendentisi dal detto disco, ciascuna pala comprendendo: un bordo di attacco a detto ingresso; un bordo di uscita a detta uscita; una base di pala estendentesi lungo detto disco, fra il bordo di attacco e il bordo di uscita; una punta della pala opposta a detto disco, estendentesi fra il bordo di attacco e il bordo di uscita; un lato di pressione; e un lato di aspirazione; in cui detto bordo di uscita è a forma di S, avente una porzione concava, una porzione convessa ed un punto di flesso tra di esse.
- 2. La girante della rivendicazione 1, in cui la porzione concava e la porzione convessa del bordo di uscita sono disposte cosicché una prima porzione del bordo di uscita più vicina alla base della pala ha una convessità rivolta verso il lato di pressione della pala e una seconda porzione del bordo di uscita più lontana dalla base della pala, ha una convessità verso il lato di aspirazione della pala.
- 3. La girante della rivendicazione 1 o 2, in cui detto bordo di uscita è integralmente curvo lungo l’intera sua estensione, fra la base della pala e la punta della pala, ed è privo di una porzione rettilinea.
- 4. La girante della rivendicazione 1, 2 o 3, in cui ciascuna pala è integralmente curva secondo una doppia curvatura sia sul lato di pressione, sia sul lato di aspirazione ed è priva di superfici rigate.
- 5. Un compressore centrifugo comprendente almeno una girante secondo una o più delle rivendicazioni 1 a 4, e un diffusore disposto attorno all’uscita di detta girante.
- 6. Un metodo per realizzare una girante di compressore, comprendente le seguenti fasi: definire un profilo di base della pala lungo un disco di girante e un profilo di punta della pala in un piano meridiano; definire la superficie di un lato di pressione e una superficie di un lato di aspirazione della pala come superfici rigate che si sviluppano fra il profilo di base della pala e il profilo di punta della pala, detta superficie del lato di pressione e detta superficie del lato di aspirazione sviluppandosi fra un bordo di uscita rettilineo e un bordo di attacco rettilineo di detta pala; trasformare le superfici rigate in superfici non rigate spostando punti del bordo di uscita lungo una direzione tangenziale impartendo in tal modo una forma ad S a detto bordo di uscita avente una porzione concava, una porzione convessa ed un punto di flesso fra di esse.
- 7. Il metodo della rivendicazione 6, in cui la porzione concava e la porzione convessa del bordo di uscita sono disposte cosicché la prima porzione del bordo di uscita più vicina alla base della pala ha una convessità rivolta verso il lato di pressione della pala e una seconda porzione del bordo di uscita, più distante dalla base della pala, ha una convessità rivolta verso il lato di aspirazione della pala.
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