ITMI20002719A1 - Sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas - Google Patents

Sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas Download PDF

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Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale
La presente invenzione ha come oggetto un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas.
Com'è noto, le turbine a gas sono macchine costituite da un compressore e da una turbina ad uno o più stadi, dove tali componenti sono tra loro collegati da un albero rotante e dove tra il compressore e la turbina è prevista una camera di combustione.
Al suddetto compressore viene alimentata aria proveniente dall'ambiente esterno per portarla in pressione.
All'interno della camera di combustione viene immesso il combustibile che viene acceso mediante opportune candele di accensione per produrre la combustione, la quale è finalizzata a provocare un aumento di temperatura e di pressione e quindi di entalpia del gas.
Successivamente, il gas ad alta temperatura ed alta pressione raggiunge, attraverso opportuni condotti, i differenti stadi della turbina, la quale trasforma l'entalpia del gas in energia meccanica disponibile ad un utilizzatore.
In effetti, nel campo tecnologico delle turbine a gas molti sforzi sono stati compiuti per migliorare l'efficienza termodinamica del sistema, ad esempio facendo funzionare le turbine a gas a temperature sempre più elevate.
In tale contesto, al fine di permettere alle turbine di operare a tali temperature dei gas più elevate, che possono essere anche maggiori di quelle che i materiali interni della macchina possono normalmente tollerare, molti sforzi sono stati compiuti per sviluppare metodi efficienti di raffreddamento dei materiali interni delle turbine a gas.
In particolare si note che ci sono componenti della turbina a gas nel flusso dei gas caldi ("hot gas path"), come gli ugelli delle turbine e le palette rotoriche, che sono esposte a temperature assai elevate e richiedono significativi quantitativi di aria di raffreddamento.
E' inoltre noto che il rotore cavo della turbina è spesso utilizzato per alimentare la portata d'aria necessaria per il raffreddamento delle pale.
L'aria prelevata dalla mandata del compressore è immessa radialmente all'interno del rotore.
Quindi essa percorre il circuito rotorico in modo centrifugo per poi risalire al suo interno fino a raggiungere la palettatura.
Le difficoltà nella progettazione di tale sistema si concentrano nella zona d'interfaccia tra l'albero in rotazione e la struttura statorica d'adduzione dell'aria e nella porzione di circuito rotorico che prevede un moto centripeto dell'aria di raffreddamento .
I problemi principali di tale sistema sono svariati e tra di essi annoveriamo, in primo luogo, il riscaldamento per attrito dell'aria prelevata alla mandata del compressore.
Un secondo problema della tecnica nota è causato, in particolare, dalle perdite di pressione dovute all'imbocco dell'aria dal sistema statorico a quello rotorico.
Un terzo problema è relativo alle fughe d'aria che incrementano le perdite di rendimento e alle fughe d'aria che inquinino il flusso di raffreddamento alla palettatura.
Infine, si vengono a produrre effetti acustici indesiderati (che sono detti anche "vortex wistle"), causati dall'aria in moto vorticoso all'interno del rotore.
Con riferimento allo stato dell'arte si osserva che la risoluzione del primo e secondo punto si ottiene mediante l'impiego di un distributore (acceleratore) statorico radiale, che sfruttando l'energia posseduta dall'aria di mandata del compressore, la accelera per adeguarla alla velocità periferica della zona di rotore prescelta per l'introduzione.
Tale espansione determina una riduzione della temperatura totale relativa al rotore e quindi permette anche la riduzione di portata necessaria al raffreddamento della palettatura con ovvi benefici sull'efficienza del ciclo termodinamico.
Inoltre, adeguando la velocità periferica dell'aria a quella del rotore, si minimizzano le perdite di pressione totali dovute all'imbocco del flusso di raffreddamento all'interno del rotore (una soluzione a tale problema è descritta nel brevetto US 4,541,774).
Si viene cosi a creare un canale circonferenziale, intorno alla zona di rotore nella quale sono praticati i fori radiali d’accesso dell'aria di raffreddamento, che si trova ad un livello di pressione e temperatura inferiori rispetto a quelle della mandata del compressore.
Per evitare l'immissione d'aria della mandata del compressore in questo canale d'adduzione circonferenziale, sì è predisposto un sistema con doppia tenuta.
In effetti, le due tenute hanno lo scopo di creare un'ulteriore camera a bassa pressione in comunicazione con lo spazio ruota anteriore della ruota turbina di 1° stadio del generatore di gas, ossia a valle degli ugelli di 1° stadio del generatore di gas.
In questo modo si realizza anche il "purge", o portata di lavaggio, dello spazio ruota per mezzo dall'aria di fuga dalle due tenute.
Una terza tenuta separa il canale da una zona a pressione inferiore, quella intorno al cuscino #2 oppure quella a valle degli ugelli di primo stadio del generatore di gas e dove limitare le fughe che incidono sul rendimento.
Il sistema dì tenute utilizza una configurazione mista di tenute a labirinto abbinate a tenute brush che incrementano l'efficienza nel controllo delle fughe.
Infine, i fori radiali realizzati nel rotore hanno il compito di imporre un vortice forzato al moto centripeto dell'aria ed estendendosi fino ad un opportuno raggio quello di impedire la formazione di vortex wistle all'interno delle cavità rotoriche (Radiai hole Deswirler).
Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di realizzare un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, che operi in modo tale che vengano soddisfatte le esigenze sopra menzionate.
Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas in grado di evitare il riscaldamento per attrito dell'aria prelevata alla mandata del compressore.
Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina che eviti perdite di pressione dovute all'imbocco dell'aria dal sistema statorico a quello rotorico.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas che consenta di ridurre al massimo le fughe d'aria che incrementano le perdite di rendimento e le fughe d'aria che inquinino il flusso di raffreddamento alla palettatura.
Non ultimo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas che possa evitare che l'aria in moto all'interno del rotore produca effetti acustici indesiderati.
Questi ed altri scopi, secondo l'invenzione, vengono raggiunti da un sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas dove l'aria di raffreddamento è prelevata da una sorgente ad alta pressione, all'interno della suddetta turbina a gas, ed è portata ad acceleratori radiali che determinano l'accelerazione tangenziale dell'aria nella direzione del moto periferico della superficie rotorica, caratterizzato dal fatto che la suddetta aria di raffreddamento, dopo essere stata accelerata sostanzialmente alla velocità periferica del rotore, entra in fori radiali e percorrendo radialmente i suddetti fori radiali, subisce una riduzione di quantità di moto tangenziale per mezzo della legge del vortice forzato, e successivamente la suddetta aria di raffreddamento viene rilasciata nel rotore cavo ad un raggio di sbocco, opportunamente ridotto.
In particolare, una serie di tenute a labirinto abbinate a tenute brush separano la camera d'adduzione dell'aria ai fori radiali dall'ambiente a bassa pressione intorno al cuscino #2 della suddetta turbina a gas.
Inoltre, l'aria di raffreddamento, dopo essere stata accelerata alla velocità periferica del rotore, entra nei fori radiali con minime perdite di pressione totale e ridotta temperatura totale relativa.
Ulteriori caratteristiche della presente invenzione sono definite nelle altre rivendicazioni allegate alla presente domanda.
Le caratteristiche ed i vantaggi del sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, 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 rappresenta un vista schematica, in sezione, del sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, secondo la presente invenzione; e
la figura 2 rappresenta, in sezione, un dettaglio della zona di ingresso aria nel rotore, secondo la presente invenzione.
Con particolare riferimento alle figure menzionate, si descrive ora la struttura ed funzionamento del sistema della presente invenzione, che è indicato globalmente con il riferimento numerico 10.
L'aria di raffreddamento è prelevata da una sorgente ad alta pressione all'interno della turbomacchina.
Nel caso in esame, l'aria di raffreddamento è prelevata dalla superficie interna del diffusore di scarico 11 del compressore assiale della turbina a gas.
Da qui l'aria di raffreddamento è portata agli acceleratori radiali 12 che determinano l'accelerazione tangenziale dell'aria nella stessa direzione del moto periferico della superficie rotorica affacciata.
Dopo essere stata accelerata alla velocità periferica del rotore, l'aria entra nei fori radiali 13 con minime perdite di pressione totale e ridotta temperatura totale relativa.
Percorrendo radialmente i fori radiali 13, la quantità di moto tangenziale dell'aria di raffreddamento è ridotta per mezzo della legge del vortice forzato (altrimenti indicata con Radiai Holes Deswirler).
L'aria di raffreddamento è rilasciata nel rotore cavo ad un raggio di sbocco 14, opportunamente ridotto, al fine di evitare la possibilità dell'instaurarsi del citato fenomeno del vortex wistle associato all'elevato Mach tangenziale di sbocco.
La tenuta a labirinto abbinata ad una tenuta brush 16 separa la camera d'adduzione dell'aria ai fori radiali dall'ambiente a bassa pressione intorno al cuscino #2, indicato con il riferimento numerico 15.
Tale fuga è minimizzata dall'utilizzo di una tenuta serie labirinto abbinata ad una tenuta brush dove la tenuta brush è a valle della tenuta a labirinto per migliorare l'efficienza complessiva del sistema.
Una tenuta labirinto :abbinata ad una tenuta Brush 17 separa la camera d'adduzione dell'aria ai fori radiali 13 dalla camera in comunicazione con il primo spazio ruota 20, mediante opportune canalizzazioni 18 e orifizi di calibrazione 19.
La portata di fuga è controllata per mezzo dell'utilizzo di una tenuta serie labirinto abbinata ad una tenuta brush, dove la tenuta brush è a valle della tenuta a labirinto per migliorare l’efficienza del sistema.
Tale fuga realizza una parte della portata di purge per il primo spazio ruota 20.
La tenuta a labirinto abbinata ad una tenuta Brush 21 separa la mandata del compressore della camera 22 in comunicazione con il primo spazio ruota mediante opportune canalizzazioni 18 e orifizi di calibrazione 19.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.
Si vogliono qui esporre le seguenti considerazioni ed osservazioni conclusive, in modo tale da definire con maggiore precisione e chiarezza i suddetti vantaggi. ;
In primo luogo, il sistema dell'invenzione è un sistema a doppia tenuta con camera intermedia che impedisce il miscelamento della portata di fuga dal compressore assiale con la portata di raffreddamento degli acceleratori (benefici per il raffreddamento della palettatura) e permette la reimmissione nel canale delle fughe dalla mandata del compressore e dal sistema degli acceleratori, fatto questo che apporta notevoli benefici nell'efficienza del ciclo termodinamico.
Inoltre, esso configura un semplice sistema di deswirl ottenuto con forature radiali nell'albero del compressore evitando costose lavorazioni e complicate soluzioni costruttive per la realizzazione di un deswirler profilato.
Si tratta in infine di un sistema di tenuta con tenute a labirinto e tenute brush che permette un elevato contenimento delle portata di fuga, fatto questo che apporta notevoli benefici sull'efficienza del ciclo termodinamico.
I risultati teorici e sperimentali sono stati così soddisfacenti che il sistema può essere utilizzato per nuove turbine a gas.
E', infine, chiaro che numerose altre varianti possono essere apportate al·’sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, che è oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva.
E' anche 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 (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, dove l'aria di raffreddamento è prelevata da una sorgente ad alta pressione, all'interno della suddetta turbina a gas, ed è portata ad acceleratori radiali (12) che determinano l'accelerazione tangenziale dell'aria nella direzione del moto periferico della superficie rotorica, caratterizzato dal fatto che la suddetta aria di raffreddamento, dopo essere stata accelerata alla suddetta velocità periferica del rotore, entra in fori radiali (13) e percorrendo radialmente i suddetti fori radiali (13), subisce una riduzione di quantità di moto tangenziale per mezzo della legge del vortice forzato, e successivamente la suddetta aria di raffreddamento viene rilasciata nel rotore cavo ad un raggio di sbocco (14), opportunamente ridotto.
  2. 2. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che una serie di tenute a labirinto abbinate a tenute brush separano la camera d'adduzione dell'aria ai fori radiali (13) dall'ambiente a bassa pressione intorno al cuscino #2 (15) della suddetta turbina a gas.
  3. 3. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di prevedere una tenuta labirinto abbinata ad una tenuta brush (17) per separare la camera d'adduzione dell'aria ai fori radiali (13) dalla camera in comunicazione con il primo spazio ruota, mediante opportune canalizzazioni (18) e orifizi di calibrazione (19).
  4. 4. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alla rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di prevedere una tenuta a labirinto abbinata ad una tenuta brush (21) separa la mandata del compressore della camera (22) in comunicazione con il primo spazio ruota (20).
  5. 5. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la portata di fuga è controllata per mezzo dell'utilizzo delle suddette tenute a labirinto abbinate a tenute brush, dove le tenute brush è a valle della tenuta a labirinto per migliorare l'efficienza complessiva del suddetto sistema.
  6. 6. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la suddetta aria di raffreddamento, dopo essere stata accelerata alla velocità periferica del rotore, entra nei suddetti fori radiali (13) con minime perdite di pressione totale e ridotta temperatura totale relativa.
  7. 7 . Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto raggio di sbocco (14) è opportunamente ridotto al fine di evitare la possibilità dell'instaurarsi del fenomeno del vortex wistle associato all'elevato Mach tangenziale di sbocco.
  8. 8. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento, come alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la suddetta aria di raffreddamento è prelevata dalla superficie interna del diffusore di scarico (11) del compressore assiale.
  9. 9. Sistema per adduzione di aria di raffreddamento in una turbina a gas, il tutto come sostanzialmente descritto e rivendicato e per gli scopi specificati.
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