ITMI20120779A1 - Stadio rotorico di turbina assiale a protezione anti-erosione migliorata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda lo stadio rotorico di una turbina assiale e le palette di detto stadio rotorico secondo il preambolo delle rivendicazioni principali.

Gli stadi rotorici palettati di una turbina a gas o a vapore sono formati da una serie di palette disposte attorno ad un albero atto a ruotare attorno ad un asse. Sull'albero sono realizzati una pluralità di alloggiamenti, ognuno dei quali è atto a ricevere la radice di una paletta impedendone il movimento in direzione radiale, per contrastare la forza centrifuga. Le palette comprendono una radice e una lama che termina con un apice alla sommità della lama. La lama a sua volta presenta un ventre normalmente concavo e un dorso normalmente convesso. Relativamente alla direzione e al verso con cui la lama viene investita dal fluido, la lama di una paletta presenta un bordo d'attacco e un bordo d'uscita la cui distanza, individuata su una sezione circonferenziale è denominata corda. Con sezione circonferenziale s'intende la sezione ottenuta mediante l'intersezione con una superficie cilindrica a direttrice circolare con asse coincidente con l'asse macchina. La lama della paletta disposta sull'albero in posizione operativa si sviluppa prevalentemente in direzione radiale. La distanza tra le sezioni circonferenziali di due palette successive, misurata in direzione tangenziale, lungo la superficie cilindrica usata per ottenere la sezione circonferenziale si chiama passo. I diversi stadi rotorici presentano lame via via più lunghe procedendo verso valle, per tener conto dell'espansione del fluido verso valle al diminuire della pressione. Al termine della lama, in corrispondenza dell'apice delle palette, può essere presente una piattina, un elemento che si estende in direzione tangenziale T, che ha lo scopo di limitare il passaggio del fluido fuori dai canali rotorici formati tra palette successive. Le piattine di tutte le palette di uno stadio rotorico vengono a contatto e formano un elemento anulare che circonda le lame delle palette rotoriche.

Un problema degli stadi rotorici che si trovano nelle parti terminali di una turbina, in cui evolva un fluido che può condensare, come ad esempio un ciclo a vapore, è quello dell'erosione delle palette, dovuta all'impatto violento delle gocce di condensato.

Un problema simile si può avere anche in turbine in cui evolve un fluido che non condensa, come ad esempio le turbine a gas, nel caso in cui sia presente particolato solido, ad esempio come residuo della combustione, che, impattando violentemente sulle palette, le può erodere.

Per limitare gli effetti della erosione delle palette, attualmente, nei cicli a vapore, si cerca di avere titoli non troppo bassi alla fine dell'espansione in turbina, in modo da limitare la formazione di condensato.

Per rendere le palette più resistenti all'erosione da impatto, si realizzano o si rivestono le palette con materiali particolarmente duri, come la stellite.

Malgrado questi accorgimenti, l'erosione obbliga a sostituire le palette periodicamente, aumentando i costi di esercizio.

Una soluzione al problema è stata proposta in US2010/0322775 Al, dove dalla radice della paletta si protende uno scudo che protegge il dorso del bordo d'attacco della paletta stessa.

Questa soluzione ha il difetto di essere costosa in quanto ogni paletta possiede uno scudo, che va poi periodicamente sostituito. Inoltre l'inserimento di uno scudo può modificare sfavorevolmente la fluidodinamica nello stadio rotorico, facendo abbassare il rendimento della turbina.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare uno stadio rotorico di turbina assiale e palette di detto stadio rotorico, che permettano di superare gli inconvenienti citati.

In particolare uno scopo è quello di migliorare la resistenza dello stadio rotorico all'erosione.

Un altro scopo è quello di limitare la necessità di sostituzione delle palette e diminuire i costi di esercizio dovuti all'erosione.

Detti scopi vengono conseguiti da uno stadio rotorico e da palette comprese in detto stadio rotorico, le cui caratteristiche inventive sono evidenziate dalle rivendicazioni.

L'invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata, fornita a puro titolo esemplificativo, quindi non limitativo, di due preferite forme realizzative, illustrate negli annessi disegni, in cui:

la Fig. 1 mostra una vista prospettica di uno stadio rotorico di turbina assiale secondo l'invenzione;

la Fig. 2 mostra una vista prospettica di una porzione dello stadio rotorico secondo una prima forma realizzativa delle palette;

la Fig. 3 mostra una vista prospettica di una porzione dello stadio rotorico secondo una seconda forma realizzativa delle palette;

la Fig. 4 mostra una sezione circonferenziale di una porzione della schiera di palette rotoriche;

la Fig. 5 mostra un ingrandimento della sezione circonferenziale delle tre palette più in basso di Fig. 4, indicate dalla parentesi graffa con la lettera I, di cui una antierosione, con l'indicazione del sopravanzo S e dei triangoli di velocità.

In figura 1, sono mostrati l'asse A, la direzione radiale R e la direzione tangenziale T. L'asse A corrisponde all'asse di rotazione dello stadio rotorico, la direzione radiale R giace su un piano normale all'asse A ed esce dallo stesso asse A. La direzione tangenziale T è la direzione di movimento di una paletta che ruota attorno all'asse A e, dato un punto dello stadio rotorico, è quindi normale al piano che comprende l'asse A e la direzione radiale R che passa per quel punto. Sull'asse A una freccia mostra il verso da monte a valle del flusso che percorre lo stadio rotorico. Questo sistema di riferimento verrà utilizzato nel seguito della descrizione e nelle rivendicazioni supponendo le palette, nelle varie forme realizzative, disposte in posizione operativa sull'albero dello stadio rotorico.

Con riferimento alle figure 1 e 2, si vede che lo stadio rotorico di una turbina assiale comprende un albero 1, atto a ruotare attorno ad un asse A, e una pluralità di palette 2, 20 disposte in successione, che formano la schiera delle palette rotoriche. Ogni paletta presenta una lama 3, 30, che si estende in direzione sostanzialmente radiale R e termina con un apice 4, 40 libero o una piattina (non rappresentata per semplicità). La lama presenta un ventre 5, 50, normalmente concavo e un dorso 6, 60, normalmente convesso. Nel funzionamento della turbina il fluido si immette nei canali formati tra palette successive facendo pressione sul ventre delle palette e provocando un movimento di rotazione in cui il dorso precede il ventre. Le palette presentano inoltre un bordo d'attacco 7, 70 e un bordo d'uscita 8, 80. Il fluido attraversa lo stadio rotorico scorrendo sostanzialmente da monte verso valle, investendo prima il bordo d'attacco 7, 70, incanalandosi nei canali formati tra palette successive e infine uscendo in corrispondenza del bordo d'uscita 8, 80.

Tra le palette rotoriche alcune palette, denominate palette antierosione 2, presentano un bordo d'attacco 7 che sporge o si protende verso monte in direzione assiale A oltre il corrispondente bordo d'attacco 70 delle palette 20 successive, proteggendole dall'impatto diretto delle gocce di condensato. Le palette successive sono quelle poste sul lato del ventre della paletta e che quindi seguono la paletta antierosione nel suo movimento rotatorio, venendo protette da essa.

Il bordo d'attacco 7 della paletta antierosione 2 sopravanza verso monte in direzione assiale A il bordo d'attacco 70 delle palette convenzionali 20, proteggendolo, come mostrato in Fig. 5, dove l'entità del sopravanzo è indicata con S.

Con riferimento alla Fig. 5, considerando un piano normale alla direzione assiale A, che passi per un punto del bordo d'attacco di una paletta convenzionale posto ad una distanza radiale prefissata dall'asse A, si vede che la paletta antierosione, in corrispondenza della medesima distanza radiale dall'asse A, sporge verso monte di una quantità S.

La paletta antierosione può presentare una corda C maggiore della corda C' di altre palette, come in Fig. 4 e 5. La paletta antierosione, sporgendo verso monte e sopravanzando le palette successive, le protegge dall'impatto di gocce di condensato o residui solidi.

Nelle figure 4 e 5 sono disegnati con un tratteggio i contorni di una paletta convenzionale che fosse disposta al posto della paletta antierosione, in modo da meglio evidenziare il sopravanzo della paletta antierosione.

La paletta antierosione può anche avere una corda uguale alle altre palette, ma essere disposta più verso monte rispetto alle palette che deve proteggere in modo da sopravanzarle. In questo caso è preferibile, ma non indispensabile, che la forma del ventre e del dorso della paletta siano modificate in modo da migliorare la fluidodinamica nei canali tra le palette.

La paletta antierosione può anche avere una corda più corta delle altre palette e può limitarsi a svolgere principalmente una funzione di schermo per le palette ad essa successive.

Dal momento che per effetto della forza centrifuga le gocce di condensato o i residui solidi si concentrano nelle parti più periferiche dello stadio rotorico, quindi verso gli apici delle palette, è sufficiente che la paletta antierosione presenti, nella sua parte più periferica, cioè lontana dall'asse A, un solo tratto o una porzione B del bordo d'attacco, che si protende verso monte formando una protrusione 9 o un naso, come rappresentato in Fig. 3. In questa seconda forma realizzativa, per la quale si è usata la medesima numerazione usata per la prima, in quanto differisce dalla prima solo per la presenza del naso, il bordo d'attacco 7 della paletta antierosione 2 sopravanza quello delle palette successive 20 solo nel tratto più periferico e lontano dall'asse.

Il sopravanzo della paletta antierosione rispetto alle palette successive nella schiera rotorica è possibile grazie alla distanza esistente tra lo stadio rotorico e lo stadio statorico immediatamente a monte.

In funzione della velocità del fluido, dell'entità del sopravanzo S verso monte della paletta antierosione e della velocità di rotazione dello stadio rotorico, una paletta antierosione può proteggere un certo numero di palette che la seguono nella schiera rotorica.

Con riferimento alle figure 4 e 5, S è l'entità del sopravanzo, V la velocità della goccia di condensato, U la velocità tangenziale dello stadio rotorico in corrispondenza della sezione circonferenziale considerata, W è la velocità relativa della goccia di condensato rispetto alle palette, ottenuta considerando le palette ferme e sommando a V la velocità U', di modulo e direzione uguali ad U, ma di verso opposto. La componente Z in direzione assiale di W consente di stabilire il tempo t necessario alla goccia di condensato per percorrere il tratto S:

t=S/Z

Se le palette antierosione sono disposte sullo stadio rotorico con un passo P2, definito come la distanza tra due palette antierosione successive misurata lungo una circonferenza centrata sull'asse A, il tempo necessario perché la seconda paletta antierosione arrivi nella posizione iniziale della prima paletta antierosione è:

t'=P2/U

Se t>t' la goccia di condensato non riesce a percorrere la distanza S prima che la seconda paletta antierosione sia arrivata e l'abbia spazzata via.

E' quindi possibile definire una funzione che fornisca il passo P2 delle palette antierosione in funzione del valore del sopravanzo S:

P2 < (SxU)/Z

Quanto maggiore è il sopravanzo S, tanto maggiore può essere la distanza o passo P2 tra le palette antierosione.

Se le palette dello stadio rotorico hanno un passo Pi, determinato da motivi fluidodinamici, è possibile calcolare quante palette successive nella schiera rotorica alla paletta antierosione possono essere protette da una paletta antierosione e quindi quante palette antierosione è necessario inserire in una schiera rotorica.

Il passo Pi tra due palette dello stadio rotorico è sostanzialmente lo stesso, sia che si tratti del passo tra due palette convenzionali, sia che si tratti del passo tra una paletta antierosione ed una paletta convenzionale.

Ovviamente la velocità V delle gocce di condensato o del particolato solido non è sempre uguale. Gocce più piccole tendono ad essere più veloci assumendo quasi la velocità del fluido, mentre gocce più grandi tendono ad essere più lente. Per analizzare l'efficacia del dispositivo si può fare un'analisi statistica della dimensione delle gocce o del particolato solido, in modo da stabilire un passo P2 utile a proteggere dalla maggior parte delle gocce.

Normalmente uno stadio rotorico secondo l'invenzione comprende quindi una pluralità di palette antierosione equamente distanziate nella schiera rotorica, tra ogni coppia delle quali sono disposte un numero di palette convenzionali. II numero delle palette convenzionali tra ogni coppia di palette antierosione risulta dalle considerazioni geometriche esposte sopra e può variare per ogni stadio rotorico.

In funzione del sopravanzo S e delle dimensioni delle gocce di condensato o di particolato è possibile determinare la frequenza delle palette antierosione nella schiera delle palette rotoriche. Una singola paletta antierosione potrebbe proteggere anche dieci o più palette convenzionali.

Dal momento che la paletta antierosione deve proteggere principalmente la parte più periferica delle palette, essa può anche avere una lama più corta delle palette convenzionali e essere atta ad essere vincolata ad elementi di appoggio che si protendono dal ventre e dal dorso di due lame convenzionali disposte in successione. In questo caso la paletta antierosione non presenta una radice e può servire anche a migliorare il rapporto passo/corda che in uno stadio rotorico diminuisce dalla radice verso la periferia, raggiungendo valori non ottimali.

E' anche possibile che la paletta antierosione si protenda dalla piattina in direzione dell'asse nella zona intermedia tra due palette convenzionali dotate di radice. Tale paletta antierosione sarebbe in grado di proteggere le parti più periferiche delle palette, maggiormente soggette ad erosione, e permetterebbe anche di migliorare il rapporto passo/corda.

La stellite è un materiale particolarmente duro e resistente all'erosione, oggi utilizzato come ricoprimento delle palette più soggette ad urti da parte di gocce di condensato.

Vantaggiosamente un processo d'indurimento superficiale o un materiale d'apporto ad elevata durezza come la stellite possono essere utilizzati per proteggere almeno una parte delle palette antierosione, in particolare la parte del dorso più direttamente esposta agli urti di gocce di condensato o di particolato solido.

Naturalmente le palette antierosione, proteggendo le altre palette, sono più soggette all'erosione e devono essere sostituite più frequentemente. Per questo motivo possono anche essere dette palette sacrificali.

Può essere economicamente vantaggioso realizzare tali palette antierosione con una parte superiore vincolabile ad una parte inferiore o con una protezione dorsale vincolabile al resto della paletta. Dato che le gocce di condensato e il particolato solido si concentrano maggiormente in periferia e impattano nella regione dorsale, la parte superiore e il lato dorsale vengono maggiormente erosi, ma possono essere sostituiti senza sostituire tutta la paletta.

Mentre una paletta antierosione potrebbe essere anche una normale paletta disposta con un leggero sopravanzo verso monte rispetto alle altre, esistono forme realizzative di palette antierosione che le differenziano morfologicamente dalle palette convenzionali.

Per questo motivo la presente invenzione vuole anche proteggere una paletta antierosione 2 di uno stadio rotorico di una turbina assiale che presenta una protrusione 9 del bordo d'attacco 7 o naso, tale protrusione 9 essendo disposta nella parte terminale o più periferica della paletta 2.

La paletta secondo l'invenzione può anche comprendere due o più parti reciprocamente vincolabili, permettendo la sostituzione delle sole parti maggiormente esposte all 'erosione .

Grazie al fatto che lo stadio rotorico presenta un numero sufficiente di palette antierosione disposte ad intervalli regolari nella schiera di palette rotoriche, le palette convenzionali sono protette dalla maggior parte delle gocce di condensato o di particolato solido che fluiscono nella turbina e possono avere una vita più lunga con una riduzione dei costi di esercizio.

Grazie al fatto che dette palette antierosione sono realizzate in più parti reciprocamente vincolabili, le parti più esposte all'erosione possono essere sostituite conservando le parti non esposte all'erosione, con un notevole risparmio di denaro.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Stadio rotorico di una turbina assiale comprendente un albero (1), atto a ruotare attorno ad un asse (A), e una pluralità di palette (2, 20) che formano la schiera delle palette rotoriche, ognuna delle quali presenta una lama (3, 30), che si estende in direzione sostanzialmente radiale (R) e termina con un apice libero (4, 40) o una piattina, detta lama (3, 30) presentando un ventre (5, 50) e un dorso (6, 60), un bordo d'attacco (7, 70) e un bordo d'uscita (8, 80), detto stadio rotorico essendo atto a essere attraversato da un fluido che scorre sostanzialmente da monte verso valle investendo prima il bordo d'attacco e uscendo poi in corrispondenza del bordo d'uscita, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una paletta antierosione (2) che presenta almeno una porzione (B) del bordo d'attacco (7) che sporge verso monte in direzione assiale (A) oltre il corrispondente bordo d'attacco (70) della paletta (20) successiva.
2. 2. Stadio rotorico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere, nella schiera delle palette rotoriche, una pluralità di palette antierosione (2) tra ogni coppia delle quali, sono disposte una o più palette (20) convenzionali, le palette antierosione (2) presentando un sopravanzo (S) rispetto alle palette (20) convenzionali.
3. 3. Stadio rotorico secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta paletta antierosione (2) presenta una corda (C), definita come distanza su una sezione circonferenziale tra il bordo d'attacco (7) e il bordo d'uscita (8), maggiore della corda (C') di una paletta (20) convenzionale.
4. 4. Stadio rotorico secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta porzione (B) del bordo d'attacco (7) che si protende verso monte in direzione assiale (A) è disposta in corrispondenza della parte più periferica della lama (3).
5. 5. Stadio rotorico secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta paletta antierosione (2) è atta ad essere vincolata ad elementi di appoggio che si protendono dal ventre (50) e dal dorso (60) di due lame (20) convenzionali successive.
6. 6. Stadio rotorico secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comprendere una piattina e che detta paletta antierosione si protende dalla piattina in direzione dell'asse (A).
7. 7. Stadio rotorico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, almeno parte della superficie di detta paletta antierosione (2), è ricoperta da stellite.
8. 8. Stadio rotorico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta paletta antierosione (2) comprende almeno due parti reciprocamente vincolabili.
9. 9. Paletta antierosione (2) di uno stadio rotorico di una turbina assiale secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di presentare una protrusione (9) del bordo d'attacco (7).
10. 10. Paletta antierosione (2) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detta protrusione (9) è disposta nella parte periferica della lama.