ITMI20001493A1 - Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas.

Per turbina a gas si definisce normalmente una macchina termica rotativa, che converte calore in lavoro, usando gas direttamente provenienti da una combustione e che eroga potenza meccanica su un albero rotante.

Essa comprende solitamente un compressore o turbocompressore, normalmente di tipo assiale, all'interno del quale viene portata in pressione l'aria prelevata dall'esterno.

Ulteriormente, vari iniettori alimentano il combustibile, che si mescola all·'aria per formare una miscela di innesco aria-combustibile.

Il compressore assiale è pilotato da una turbina propriamente detta, che eroga energia meccanica ad un utilizzatore trasformando l'entalpia dei gas combusti nella camera di combustione.

La turbina propriamente detta, il turbocompressore, la camera di combustione (o riscaldatore), l'albero di uscita dell'energia meccanica, il sistema di regolazione e il sistema di avviamento costituiscono le parti essenziali di un impianto di turbina a gas.

Per quanto riguarda il funzionamento di una turbina a gas, è noto che il fluido penetra nel compressore attraverso una serie di condotti di ingresso.

In queste canalizzazioni,-il gas presenta caratteristiche di bassa pressione e di bassa temperatura, mentre, nell'attraversamento del compressore, il gas viene compresso e la sua temperatura aumenta.

. Esso penetra poi nella camera di combustione (o di riscaldamento), dove subisce un ulteriore rilevante aumento di temperatura.

Il calore necessario all'incremento di temperatura del gas è fornito dalla combustione di combustibile liquido introdotto nella camera di riscaldamento, mediante gli iniettori.

L'innesco della combustione, all'avviamento della macchina, è ottenuto mediante candele di accensione.

All'uscita della camera di combustione, il gas, ad alta pressione e ad alta temperatura, attraverso appositi condotti, giunge alla turbina, ove cede parte dell'energia accumulata nel compressore e nella camera di riscaldamento (combustore) e fluisce poi all'esterno tramite le canalizzazioni di scarico. Poiché il lavoro ceduto dal gas alla turbina è maggiore di quello da esso assorbito nel compressore, rimane disponibile, sull'albero della macchina, una certa quantità di energia, che, depurata del lavoro assorbito dagli accessori e dalle resistenze passive degli organi meccanici in movimento, costituisce il lavoro utile dell'impianto.

Dal punto di vista costruttivo, le pale del compressore assiale e della turbina sono montate su un unico albero, che è supportato da due cuscini portanti, realizzati solitamente in due semigusci con piano di accostamento orizzontale.

Una disposizione nota e molto diffusa dei cuscini portanti prevede un primo cuscino situato all'ingresso del compressore, mentre un secondo cuscino è posto tra il compressore assiale e la turbina; tale realizzazione risulta estremamente robusta e resistente.

In tal caso, tuttavia, il secondo cuscino portante deve essere installato entro uno spazio cilindrico previsto attorno alla porzione di albero esistente tra il compressore assiale e la turbina.

A scopo esemplificativo, la figura 1 allegata alla presente descrizione fa riferimento ad una vista schematica e parziale di un impianto di turbina a gas di tipo tradizionale.

Come rappresentato chiaramente in figura, il diametro esterno D2 dello spazio cilindrico 10 per il contenimento e l'installazione del secondo cuscino portante (avente diametro DI) è imposto dal diametro interno D3 del diffusore, che è previsto all'uscita del compressore assiale 11 e prima della turbina propriamente detta 15, diminuito dello spessore D4 dell'involucro 12.

Il contenitore o involucro 12 deve risultare rigido ed assicurare il contenimento di aria ad alta pressione, ed è parte di una cassa che deve supportare i principali componenti del sistema di combustione (combustori, altri organi meccanici in movimento) e resistere alle alte temperature, che si producono all'interno ed attorno ad essa.

Infine, il diametro interno DI del secondo cuscino portante di una turbina a gas di tipo noto è imposto dalla misura del diametro dell'albero che porta le pale del compressore 11 e della turbina 15, il cui asse mediano è indicato nella figura 1 con il riferimento X.

Ulteriormente, il posizionamento del cuscino portante risulta decisamente critico nei confronti dello spazio disponibile utilizzabile per disporre il contenitore del cuscino stesso e le connessioni di servizio, quali le tubazioni in cui scorre l'olio lubrificante e i dispositivi di tenuta all'aria.

In effetti, le condutture ove scorre l'olio lubrificante devono essere installate in modo tale da connettere diverse camere, separate da pareti dell'inner barrei, in cui le differenze di pressione sono notevoli.

Inoltre, le loro connessioni devono essere estremamente sicure e a tenuta stagna, in modo tale da escludere ogni possibilità di perdite di olio all'esterno, che potrebbero provocare pericolosi in-cendi.

Al contempo, tuttavia, le dimensioni di ingombro del secondo cuscino portante devono essere abbastanza rilevanti, in modo da conferire all'asse della turbina la rigidità richiesta.

Il problema della complessità degli ingombri e i-1 fatto che si opera ad alte temperature sono condizioni che richiedono la presenza di un elevato flusso d'olio lubrificante; le dimensioni dei cuscini portanti e i diametri in gioco causano alte perdite di potenza e, di conseguenza, elevati flussi d'olio per lubrificazione e raffreddamento.

In effetti, in ogni caso, è sempre necessario fornire un flusso d'olio maggiore di quello effettivamente richiesto, a scopo di raffreddamento del cuscino portante, in quanto l'involucro dello stesso raggiunge temperature estremamente elevate.

Inoltre, è necessario fornire un corrispondente flusso d'aria all'involucro del cuscino e, quindi, convogliarlo nuovamente all'esterno, in modo tale da evitare un accumulo di aria calda dallo spazio previsto attorno all'involucro del cuscino ed impedire perdite d'olio lubrificante attraverso le guarnizioni terminali dell'involucro.

L'aria viene iniettata nelle tenute e la maggior parte di essa deve essere nuovamente convogliata all'esterno con olio lubrificante.

L'aria presente all'interno delle tubazioni dovrebbe potere fluire con basse velocità, in modo tale da facilitare il flusso di olio utilizzato a scopo di lubrificazione e raffreddamento del cuscino portante e dell'involucro del cuscino.

Tuttavia, tale condizione non può essere raggiunta se non a scapito di notevoli inconvenienti relativamente alle caratteristiche geometriche del motore collegato.

Infatti, gli involucri esterni di contenimento dei motori risultano, in questo modo, più complicati e più costosi da produrre, rispetto a quelli tradizionali.

Malgrado tutto ciò, attualmente, le condutture sono ancora progettate per ottenere flussi d'olio che si muovono per gravità, con le conseguenze menzionate di maggiori costi e minore efficienza.

Alternativamente, i fluidi di lubrificazione e raffreddamento vengono convogliati all'esterno per mezzo di una pompa di evacuazione; tuttavia, anche in questo caso, ne conseguono problemi di costi e di affidabilità.

Scopo della presènte invenzione è, quindi, quello di realizzare un sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas che ovvi agli inconvenienti sopra menzionati e, in particolare, quello di realizzare un sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, in modo tale che vengano soddisfatte le esigenze sopra menzionate di semplicità, economia, affidabilità e limitato ingombro.

Altro scopo della presente invenzione è quello di indicare un sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, che consenta di increrrentare la velocità rotorica della turbina e il rapporto temperatura/pressìone all'interno della turbina a gas.

Questi ed altri scopi, secondo l'invenzione, vengono raggiunti da un sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, del tipo comprendente un albero centrale della turbina, circondato da una serie di mezzi di supporto, che risultano, a loro volta, annessi ad una scatola di contenimento dei mezzi di supporto, un involucro a contenimento di almeno un cuscino portante della turbina, ed una pluralità di condotti, rispettivamente, di ingresso e di scarico dell'olio di lubrificazione e raffreddamento, caratterizzato dal fatto di comprendere, altresì, una serie di tenute laterali, previste in posizione prospiciente al cuscino portante, che creano una differenza di pressione tale da permettere all'olio di passare all'interno dei condotti di scarico a velocità sostenuta.

L'involucro di contenimento comprende, ulteriormente, una serie di camere laterali, una camera di accumulo dell'olio in pressione e luci di collegamento fra le camere laterali e i condotti di scarico dell'olio; la camera di accumulo riceve una porzione di fluido, che viene scaricato dalla turbina per gravità, mentre, all'interno della camera, l'olio raggiunge un livello corrispondente ad una determinata velocità di flusso, tale da tracimare in un condotto di scarico.

La maggior parte di fluido è confinata all'interno della camera di accumulo, che circonda l'involucro di contenimento del cuscino portante, in modo che la suddetta camera di accumulo raggiunga una sovrapressione interna tale da produrre una eiezione di fluido a velocità elevata.

Tale fenomeno di eiezione provoca l'emissione di getti di fluido in corrispondenza di porzioni prefissate di elementi annessi a detto albero centrale, che trascinano il fluido motore dalle camere laterali, e provoca un conseguente trascinamento di fluido scaricato all'esterno.

In modo vantaggioso, il sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, secondo la presente invenzione, consente di ridurre al minimo le dimensioni dell'involucro di contenimento dei cuscini portanti e delle relative tubazioni delle turbine a gas, ottimizzando, al contempo, la possibilità di estrarre energia da un fluido pressurizzato presente attorno all'involucro del cuscino portante.

Inoltre, i condotti di scarico vengono posizionati inferiormente e sostanzialmente al centro dell'involucro a contenimento del cuscino portante, in modo tale da ridurre al minimo le dimensioni assiali dell'involucro, rispetto all'arte nota.

Ulteriormente, le dimensioni radiali risultano ridotte, rispetto all'arte nota, in quanto non si rende necessario installare una camera di raccolta di fluido, esterna al sistema, in cui far crescere il livello di fluido ed ottenere energia potenziale sufficiente a vincere le perdite di pressione nei condotti di ingresso e di uscita e la resistenza fluidodinamica.

Le caratteristiche ed i vantaggi del sistema di scarico, secondo la presente invenzione, risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente di una sua tipica realizzazione, esemplificativa ma non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

- la figura 1 è una rappresentazione schematica di una turbina a gas di tipo tradizionale;

- la figura 2 è una sezione trasversale di un cuscino portante associato ad un albero centrale e ad un inner barrei esterno, secondo l'invenzione;

- la figura 3 è una sezione longitudinale di figura 2 fatta lungo un determinato piano;

- la figura 4 è una sezione longitudinale di figura 2 fatta secondo un ulteriore piano;

- la figura 5 rappresenta una vista prospettica dell'involucro di un secondo cuscino portante di una turbina a gas, secondo la presente invenzione.

Con particolare riferimento alle figure 2-5, con 20 è indicato l'albero centrale della turbina a gas, con 21 una serie di tacchetti, annessi ad una scatola porta tacchetti 22,. che presentano una funzione di fermo o di supporto, con 23 è indicato un involucro a contenimento di un secondo cuscino portante della turbina, mentre con 24 e 25 sono indicati due coppie di condotti, rispettivamente, di ingresso e di scarico dell'olio di lubrificazione e di raffreddamento.

Inoltre, con 26 sono indicate genericamente del-<‘>le tenute laterali, con 27 delle camere laterali, con 28 una camera di accumulo dell'olio in pressione, mentre con 29 sono indicate delle luci di collegamento fra le camere laterali 27 e i condotti di scarico 25 dell'olio.

Secondo la presente invenzione, si prevede di lasciar scaricare liberamente (solo per effetto della gravità} solamente una porzione di olio lubrificante, che viene condotta all'interno di una camera di accumulo 28 o bacino di raccolta, che è prevista sull'involucro 23 del secondo cuscino portante della turbina a gas.

All'interno della camera di accumulo 28, il livello dell'olio sale sino al momento in cui raggiunge un'opportuna velocità di flusso, in modo tale da tracimare nella conduttura di scarico 25.

Quindi, la maggior parte dell'olio è confinato all'interno di uno spazio che circonda le strutture di contenimento del cuscino portante.

Le tenute laterali 26 (le quali, in un esempio di realizzazione preferito ed esemplificativo, ma non limitativo, sono costituite da anelli flottanti), previste in posizione prospiciente al cuscino portante, creano una adeguata differenza di pressione (nella direzione del sistema di raccolta), in modo tale da permettere all'olio di fluire direttamente nei condotti di scarico 25 a velocità sostanzialmente elevata.

Grazie alla forma innovativa dell'involucro del cuscino portante, rappresentata schematicamente in figura 5, il sistema secondo l'invenzione utilizza una sovrapressione esistente all'interno dello spazio attorno al cuscino, al fine di ottenere una eiezione dell'olio a velocità elevate e, quindi, costringere l'olio presente all'interno della camera di accumulo 28 a riversarsi nelle condutture di scarico 25.

In pratica si ottengono getti di olio in corrispondenza delle porzioni 30 di figura 4 con funzione di fluido motore ovvero di trascinamento dell<, >olio motore dalle camere laterali 27.

In tal modo, mediante un adeguato studio della struttura geometrica dei componenti del sistema di scarico per cuscini portanti, si ottiene un importante riduzione di dimensioni delle condutture, mentre la procedura di eiezione dell'olio permette un trascinamento conseguente degli altri flussi d'olio che fluiscono nella turbina e vengono scaricati all'esterno per mezzo della sola forza di gravità, vale a dire una quantità d'olio che proviene dalle tenute laterali ad anello 26 e un'ulteriore quantità d'olio che fluisce dalle camere laterali 27 a scopo di raffreddamento.

Le direzioni di scarico dell'olio dall'involucro 23 del cuscino portante sono rappresentate chiaramente in figura 5, per mezzo delle frecce F.

In definitiva, senza utilizzare componenti costosi o complessi, quali eiettori esterni o pompe di evacuazione, è possibile ridurre al minimo le dimensioni dell'involucro contenitore del cuscino portante della turbina e l'ingombro delle relative tubazioni; d'altra parte, si ottimizza il fatto di estrarre energia da olio pressurizzato presente attorno all'involucro esterno del cuscino.

Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che le condutture di scarico 25 sono posizionate inferiormente e al centro dell'involucro 23 del cuscino portante; ciò riduce la lunghezza assiale dell'involucro ad un valore minimo, in quanto la stessa è costituita dalla somma della lunghezza, assiale del cuscino e delle tenute laterali 26 con l'aggiunta di due spazi corrispondenti a due camere ristrette poste tra il cuscino e le tenute 26.

s D'altra parte, utilizzando il sistema di scarico secondo l'invenzione vengono ulteriormente ridotte le dimensioni radiali perché non è necessario prevedere l'installazione di una coppa o bacino di raccolta esterna al sistema, in cui far crescere il livello dell'olio ed ottenere l'energia potenziale sufficiente a vincere le perdite di pressione nelle condutture e la resistenza fluidodinamica.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E', infine, chiaro che numerose altre varianti possono essere apportate al sistema di scarico, che è oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, così come è chiaro che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le dimensioni e le forme utilizzate potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituite con altri tecnicamente equivalenti.

L'ambito della presente invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas, del tipo comprendente almeno un albero centrale (20), circondato da una serie di mezzi di supporto (21), che risultano, a loro volta, annessi ad una scatola di contenimento (22) di detti mezzi di supporto (21), un involucro (23) a contenimento di almeno uno di detti cuscini portanti della turbina, ed una pluralità di condotti (24, 25), rispettivamente, di ingresso e di scarico di fluidi di lubrificazione e raffreddamento, caratterizzato dal fatto di comprendere, altresì, una serie di tenute laterali (26), previste in corrispondenza di uno spazio (10) destinato a contenere -detto cuscino portante, che creano una differenza di pressione, tale. da permettere a detti fluidi di passare all'interno di detti condotti di scarico (25) a pressione e/o velocità sostenute.
2. 2. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto involucro (23) comprende, ulteriormente, una pluralità di camere laterali (27), almeno una camera di accumulo di fluidi in pressione (28), e luci di collegamento (29) fra dette camere laterali (27) e detti condotti di scarico (25) dei fluidi, in modo tale che detta camera di accumulo (28) riceva almeno una porzione di fluido, che viene scaricato da detta turbina per gravità.
3. 3. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che, all'interno di detta camera di accumulo (28), detto fluido raggiunge una pressione corrispondente ad una predeterminata velocità di flusso, in modo tale che lo stesso fluido possa tracimare all'interno di detto condotto di scarico (25).
4. 4. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la maggior parte di fluido è confinata all'interno di detta camera di accumulo (28), che circonda l'involucro (23) a contenimento di detto cuscino portante.
5. 5. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta camera di accumulo (28) presenta una sovrapressione interna, tale da produrre una eiezione di fluido a velocità elevata, costringendo detto fluido presente all<’>'interno di detta camera di accumulo (28) a riversarsi nel condotto di scarico (25).
6. 6. Sistema di scarico per-cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto fenomeno di eiezione provoca l'emissione di getti di fluido in corrispondenza di porzioni (30) prefissate di elementi annessi a detto albero centrale (20), con funzione di fluido motore ovvero di trascinamento di detto fluido motore da dette camere laterali (27).
7. 7. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto fenomeno di eiezione di fluido permette un conseguente trascinamento dei flussi di fluido, che passano all'interno di detta turbina e sono<' >scaricati all'esterno (F) grazie alla sola forza di gravità, vale a dire guantità di fluido che provengono da dette tenute laterali (26) e ulteriori quantità di fluido che fluiscono da dette carne-· re laterali (27) a scopo di raffreddamento.
8. 8. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette tenute laterali (26) sono costituite da anelli flottanti.
9. 9. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che le dimensioni di detto involucro (23) a contenimento dei cuscini portanti e delle relative tubazioni sono ridotte al minimo, mentre viene ottimizzato il fatto di estrarre energia da un fluido pressurizzato presente dentro a detto involucro (23) del cuscino portante.
10. 10. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti condotti di scarico (25) sono posizionati inferiormente e sostanzialmente al centro di detto involucro (23) a contenimento del cuscino portante, in modo tale da ridurre al minimo almeno una dimensione assiale di- detto involucro (23), rispetto all'arte nota.
11. 11. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detta dimensione assiale risulta costituita dalla somma della lunghezza assiale di detto cuscino e di dette tenute laterali (26) con l'aggiunta di almeno uno spazio corrispondente ad una camera ristretta, posizionata tra detto cuscino portante e dette tenute laterali (26).
12. 12. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che le dimensioni radiali risultano ridotte, rispetto all'arte nota, in quanto non si rende necessario installare una camera di raccolta di fluido, esterna a detto sistema, in cui far crescere il livello di fluido ed ottenere energia potenziale sufficiente a vincere le perdite di pressione nei condotti (24, 25) e la resistenza fluidodinamica.
13. 13. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto fluido di lubrificazione e raffreddamento è costituito da olio in pressione.
14. 14. Sistema di scarico per cuscini portanti di turbine a gas sostanzialmente come descritto e rivendicato e per gli scopi specificati.