ITMI20121806A1 - Metodo per costruire stadi di turbine radiali centrifughe - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Metodo per costruire stadi di turbine radiali centrifugheâ€

La presente invenzione ha per oggetto un metodo per la costruzione di stadi di turbine radiali centrifughe. In particolare, la presente invenzione à ̈ relativa alla realizzazione di stadi di turbine radiali centrifughe multistadio di tipo Ljungstrom.

Come à ̈ noto, ogni stadio di tali turbine comprende due anelli di supporto coassiali e paralleli tra cui sono interposte una pluralità di palette con il proprio bordo d’attacco ed il proprio bordo di uscita che si estendono sostanzialmente paralleli all’asse di rotazione dello stadio stesso. La turbina comprende più stadi concentrici e gli anelli formati dalle palette di ogni stadio sono disposti in serie ad una distanza radiale progressivamente maggiore dall’asse di rotazione. Il flusso di gas trattato nella turbina entra assialmente in corrispondenza dell’asse o centro della turbina e si allontana radialmente dall’asse, attraversando uno dopo l’altro gli stadi disposti in successione. Le palette che compongono il primo stadio sono le più vicine all’asse di rotazione della turbina, mentre quelle dell’ultimo stadio sono le più lontane.

In tale ambito la Richiedente ha osservato che le palette sono soggette a sforzi centrifughi che si creano durante il normale funzionamento. Poiché all’aumentare del raggio la forza centrifuga aumenta linearmente, il livello di sforzo presente à ̈ massimo soprattutto sugli ultimi stadi di turbina.

Inoltre, la Richiedente ha osservato che le palette sono soggette a gradienti termici che si verificano durante i transitori. Durante il transitorio, gli sforzi dovuti ai gradienti termici sono dovuti al fatto che la parte di anello vicino alle pale si scalda prima della restante parte della macchina, poiché à ̈ direttamente investita dal fluido caldo. Successivamente, a regime, à ̈ presente una differente temperatura tra uno stadio e l’altro, per cui un anello che si trova a cavallo di tale stadio à ̈ sottoposto a sua volta a sforzi termici dovuti a questa differenza di temperatura.

La Richiedente si à ̈ pertanto posta innanzitutto l’obiettivo di attenuare entrambi gli effetti di sforzo sopra citati nelle zone di collegamento tra le palette e gli anelli di supporto.

La Richiedente si à ̈ anche posta l’obiettivo di consentire una facile produzione in serie degli stadi.

La Richiedente ha percepito che tali obiettivi possono essere conseguiti utilizzando una particolare geometria nella zona di collegamento che garantisca un movimento elastico limitato e controllato della paletta rispetto agli anelli di supporto durante il funzionamento della turbina.

In particolare, la presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo per costruire stadi di turbine radiali centrifughe, comprendente:

predisporre un primo anello di supporto ed un secondo anello di supporto; approntare una pluralità di palette;

collegare una prima estremità di ogni paletta al primo anello di supporto ed una seconda estremità di ogni paletta al secondo anello di supporto;

in cui collegare la prima o la seconda estremità al rispettivo primo o secondo anello di supporto comprende:

saldare almeno una prima semiporzione, elasticamente cedevole lungo una direzione radiale ed appartenente alla rispettiva estremità della paletta, ad una seconda semiporzione, elasticamente cedevole lungo detta direzione radiale ed appartenente al rispettivo anello di supporto, per formare una porzione di collegamento elasticamente cedevole lungo detta direzione radiale;

disporre almeno una porzione di finecorsa di detta estremità della paletta affacciata, lungo detta direzione radiale, ad almeno un elemento di fermo del rispettivo anello di supporto;

in cui la porzione di collegamento elasticamente cedevole permette alla porzione di finecorsa di entrare in contatto con l’elemento di fermo quando lo stadio à ̈ sottoposto ai carichi di funzionamento della turbina.

La presente invenzione à ̈ anche relativa ad uno stadio di una turbina radiale centrifuga comprendente:

un primo anello di supporto ed un secondo anello di supporto;

una pluralità di palette ciascuna presentante una prima estremità ed una seconda estremità;

primi giunti, ciascuno interposto tra la prima estremità di ciascuna paletta ed il primo anello di supporto, e secondi giunti, ciascuno interposto tra la seconda estremità di ciascuna paletta ed il secondo anello di supporto; caratterizzato dal fatto che ciascuno dei primi giunti e/o dei secondi giunti comprende:

almeno una porzione di collegamento elasticamente cedevole lungo una direzione radiale ed unita alla rispettiva paletta ed al rispettivo anello di supporto;

almeno un elemento di fermo solidale al rispettivo anello di supporto; almeno una porzione di finecorsa solidale alla rispettiva paletta, ed affacciata, lungo detta direzione radiale, all’elemento di fermo;

in cui la porzione di collegamento elasticamente cedevole permette alla porzione di finecorsa di entrare in contatto con l’elemento di fermo quando lo stadio à ̈ sottoposto ai carichi di funzionamento della turbina.

La presente invenzione à ̈ anche relativa ad una turbina radiale centrifuga comprendente almeno uno stadio come descritto e/o rivendicato.

La funzione della porzione di collegamento elasticamente cedevole à ̈ quella di non vincolare in maniera troppo rigida la struttura, permettendo piccoli spostamenti tra ciascuna paletta e i due anelli di supporto, fino al contatto tra una superficie appartenente all’elemento di fermo dell’anello ed una superficie appartenente alla porzione di finecorsa della radice della paletta. Tali piccoli spostamenti radiali sono compresi orientativamente tra circa 0.1 mm e circa 0.4 mm. Il citato contatto impedisce sostanzialmente ulteriori spostamenti relativi.

L’elasticità dovuta alla presenza delle semiporzioni (o labbri) permette vantaggiosamente di ripartire gli sforzi tra l’anello e la radice della paletta. Il contatto tra le citate superfici (a meno delle tolleranze) fa si che alla base della parete di congiunzione non ci sia un momento flettente alto.

Inoltre, poiché le pale vengono saldate singolarmente sugli anelli, à ̈ possibile lavorarle singolarmente prima di assemblarle, realizzando geometrie anche molto complesse con macchinari semplici.

Il fatto che le palette siano saldate individualmente sull’anello garantisce anche che, nel caso in cui una saldatura sia difettosa (formazione di pori o cricche che possono innescare una rottura durante il normale funzionamento), la propagazione del difetto non porti alla rottura dell’intero stadio, ma influenzi solo la singola semiporzione della singola paletta. Se invece la saldatura fosse unica, il difetto, una volta innescato, si propagherebbe lungo tutta la superficie saldata, causando la rottura totale dello stadio e della turbina.

In accordo con una forma realizzativa preferita, per collegare la prima o la seconda estremità al rispettivo primo o secondo anello di supporto, il metodo prevede di: disporre due prime semiporzioni a cavallo dell’elemento di fermo e saldarle di testa a rispettive seconde semiporzioni poste ai lati di detto elemento di fermo e radialmente distanziate da detto elemento di fermo.

Il metodo prevede inoltre di disporre due porzioni di finecorsa di detta estremità affacciate, lungo detta direzione radiale, a lati opposti dell’elemento di fermo.

Pertanto, in un piano di sezione contenente l’asse di rotazione dello stadio, detto giunto presenta due di dette porzioni elasticamente cedevoli poste in corrispondenza di lati opposti dell’elemento di fermo e distanziate da detto elemento di fermo. Ogni porzione elasticamente cedevole à ̈ formata da una prima semiporzione giuntata alla paletta e da una seconda semiporzione giuntata all’anello di supporto. La prima semiporzione e la seconda semiporzione sono reciprocamente saldate.

In altre parole, ogni paletta comprende un piede posto ad ognuna delle due proprie estremità. Il piede presenta un incavo delimitato dalle due prime semiporzioni (o labbri) in cui viene alloggiato l’elemento di fermo solidale ad uno degli anelli di supporto.

La realizzazione delle porzioni elasticamente cedevoli (labbri elastici) avviene grazie alla possibilità di assemblare i componenti successivamente: una lavorazione da pezzo unico non sarebbe possibile. Preferibilmente, ogni prima semiporzione presenta uno spessore (misurato lungo una direzione radiale) molto minore della propria larghezza (misurata lungo una direzione circonferenziale). Preferibilmente, detto spessore à ̈ circa 1/8 della larghezza.

Preferibilmente, ogni porzione elasticamente cedevole presenta uno spessore radiale compreso tra circa 1/4 e circa 1/9 di uno spessore radiale dell’elemento di fermo, tale spessore dipende dal numero di pale presenti sull’anello e dalla loro solidità.

Durante tale posizionamento, ciascuna delle seconde semiporzioni solidali all’elemento di fermo e poste sui due lati dello stesso sono accostate di testa alle prime semiporzioni e saldate.

Questo tipo di assemblaggio permette di decidere in quale zona posizionare la saldatura ed, eventualmente, permette di fare lavorazioni ulteriori (foratura o fresatura) per evitare l’effetto di intaglio, presente tra una paletta e l’altra sulla superficie saldata.

Nel piano di sezione contenente l’asse di rotazione dello stadio, il giunto di ogni paletta all’anello di supporto presenta una porzione elasticamente cedevole radialmente esterna (più distante dall’asse di rotazione dello stadio) ed una porzione elasticamente cedevole radialmente interna (più vicina all’asse di rotazione dello stadio) con una sagoma preferibilmente simmetrica.

Inoltre, due porzioni di finecorsa, ciascuna solidale ad una rispettiva semiporzione della paletta, sono affacciate all’elemento di fermo.

L’elemento di fermo limita pertanto sia il movimento centripeto che il movimento centrifugo della paletta rispetto all’anello.

Preferibilmente, la saldatura à ̈ laser, preferibilmente di tipo pulsato, preferibilmente a completa o profonda penetrazione (con “key-hole†).

La saldatura laser à ̈ un processo ripetibile, controllabile e preciso.

La zona termicamente alterata (ZTA) dovuta a questa lavorazione à ̈ relativamente piccola e poco sviluppata. La durezza in ZTA e ZF (zona fusa) à ̈ sostanzialmente analoga a quella del materiale base.

Inoltre, le tensioni residue dovute alla lavorazione sono recuperabili tramite trattamenti termici.

La saldatura viene eseguita spostando il saldatore lungo la larghezza della prima e della seconda semiporzione accostate di testa.

Non si utilizza una processo di emissione laser continua perché non à ̈ adeguato per saldare distanze cosi brevi: esso richiede velocità relativamente elevate e ciò si associa tipicamente con un ritardo nell’ottenere la piena penetrazione, col rischio di avere mancanze di penetrazione iniziale al rovescio e fusioni eccessive al dritto. Si à ̈ quindi selezionata una macchina laser in grado di operare anche in regime impulsato, caratterizzato da velocità di lavoro più basse ma anche da una maggior ripetibilità e controllabilità.

La frequenza di pulsazione à ̈ preferibilmente compresa tra circa 40 Hz e circa 60 Hz, il tempo di sparo à ̈ preferibilmente compreso tra circa 8 ms e circa 12 ms, pari al tempo di attesa. Negli 8-12 ms di attesa il punto di lavoro si sposta di circa 0.1 mm con una notevole percentuale di ricoprimento tra gli spari successivi.

Preferibilmente, lungo la larghezza della prima e della seconda semiporzione sono eseguiti due cordoni di saldatura ed al centro della larghezza delle semiporzioni, tra i due cordoni di saldatura, à ̈ situato un punto singolare o cratere di chiusura. Tali punti singolari sono dovuti al fatto che la saldatura per “key-hole†tende ad accumulare materiale all’inizio del processo ed a lasciare delle mancanze nel punto di chiusura. La Richiedente ha verificato che, secondo analisi FEM, la parte meno sollecitata si trova al centro della larghezza delle semiporzioni (piede di unione). Pertanto risulta vantaggioso che eventuali punti singolari o di debolezza siano posizionati proprio in prossimità di tale zona.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma d’esecuzione preferita, ma non esclusiva, di uno stadio di una turbina radiale centrifuga in accordo con la presente invenzione.

La descrizione dettagliata verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- la figura 1 mostra in vista prospettica un settore angolare di uno stadio di una turbina radiale centrifuga secondo la presente invenzione; - la figura 2 mostra in una diversa vista prospettica il settore angolare di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una sezione su un piano assiale di una variante del settore angolare di figura 1.

Con riferimento alle figure citate, con 1 à ̈ stato indicato uno stadio di una turbina radiale centrifuga multistadio di tipo Ljungstrom (anche se à ̈ rappresentato solo un settore angolare che sottende un angolo di pochi gradi). Nello stadio 1 secondo l’invenzione, la struttura del settore angolare rappresentato in figura 1 si estende per 360° a formare un anello completo (non illustrato). Lo stadio 1 comprende un primo anello di supporto 2, un secondo anello di supporto 3 ed una pluralità di palette 4 che si estendono tra i due anelli di supporto 2, 3 e collegano tra loro detti due anelli di supporto 2, 3. Nelle figure allegate sono rappresentate solo rispettivi settori angolari dei due anelli 2, 3 e le tre palette 4 interposte tra dette porzioni angolari. Lo stadio 1 completo comprende diverse decine di palette 4.

Il primo anello 2 à ̈ collegato al resto della turbina per mezzo di una sottile parete 5 che lascia gli anelli liberi di traslare radialmente ed elasticamente di una certa quantità quando sottoposti ai carichi di lavoro della turbina: in tal modo si abbassa notevolmente il livello di sforzo nella zona †̃calda’ della macchina (anelli e palette). Questa traslazione evita problemi fluidodinamici sulle pale: la parte palettata rimane allineata, si evitano problemi quali vortici alla base della paletta, variazioni di incidenza, che potrebbero influenzare in maniera determinante il rendimento della macchina. Le figure 1 e 3 mostrano differenti strutture geometriche della parete sottile 5.

Le palette 4 sono collegate al primo anello 2 in corrispondenza di un bordo opposto a quello collegato alla turbina. Ogni paletta 4 comprende una porzione centrale 6 provvista di un profilo aerodinamico, un primo semigiunto 7 disposto su una prima estremità della paletta 4 ed un secondo semigiunto 8 disposto su una seconda estremità della paletta 4. Ciascuno dei semigiunti 7, 8, visto in una sezione eseguita su un piano assiale (un piano contenente l’asse di rotazione dello stadio, figura 3), presenta una sagoma sostanzialmente ad “U†, con un elemento centrale 9 e due prime semiporzioni elasticamente cedevoli 10 che si sviluppano dall’elemento centrale 9 parallele e reciprocamente distanziate. Tali prime semiporzioni elasticamente cedevoli 10 sono inoltre sostanzialmente parallele allo sviluppo del bordo di attacco 4a e del bordo di uscita 4b della rispettiva paletta 4. Le sedi delimitate dalla sagoma ad “U†di ciascuno dei semigiunti 7, 8 sono rivolte da parti opposte. Vista nella sezione eseguita sul piano assiale (figura 3), ogni prima semiporzione 10 presenta una zona prossimale 11 (prossima all’elemento centrale 9) con uno spessore maggiore ed una zona distale 12 (più lontana dall’elemento centrale 9) con uno spessore minore. Le due zone prossimali 11 sono fra loro affacciate e più vicine una all’altra rispetto alle due zone distali 12 di ogni semigiunto 7, 8.

Sul bordo opposto a quello collegato alla turbina, il primo anello di supporto 2, visto nella sezione eseguita sul piano assiale di figura 3, presenta un terzo semigiunto 13 formato da un corpo centrale 14 e due seconde semiporzioni elasticamente cedevoli 15 che si sviluppano parallele al corpo centrale 14, lungo lati opposti dello stesso e distanziate da detto corpo centrale 14. Le seconde semiporzioni elasticamente cedevoli 15 presentano uno sviluppo assiale (parallelo all’asse di rotazione dello stadio 1) inferiore allo sviluppo assiale del corpo centrale 14.

Il corpo centrale 14 del primo anello di supporto 2 à ̈ alloggiato tra le prime semiporzioni elasticamente cedevoli 10 del primo semigiunto 7 con una propria estremità distale 16 posta tra le due zone prossimali 11. Ciascuna delle due seconde semiporzioni elasticamente cedevoli 15 à ̈ giuntata di testa ad una rispettiva prima semiporzione 10.

Tale giunzione à ̈ ottenuta per saldatura laser di tipo pulsato a completa penetrazione. La frequenza di pulsazione à ̈ di circa 50 Hz con un tempo di sparo di circa 10 ms. Come visibile nelle figure 1 e 2, lungo la larghezza (lungo lo sviluppo circonferenziale dello stadio) di ogni prima semiporzione elasticamente cedevole 10 sono eseguiti due cordoni di saldatura 17 e tra i due cordoni di saldatura 17 à ̈ situato un cratere di chiusura 17a.

In accordo con una forma realizzativa non illustrata, nella zona del cratere di chiusura 17a viene eseguita un’apertura passante (foro, fresatura) attraverso le prime e le seconde semiporzioni elasticamente cedevoli 10, 15 per evitare l’effetto di intaglio, presente tra una paletta e l’altra sulla superficie saldata.

Il primo semigiunto 7 ed il terzo semigiunto 13 formano un primo giunto 7, 13 interposto tra la prima estremità della paletta 4 ed il primo anello di supporto 2. Ogni prima semiporzione 10 insieme alla seconda semiporzione 15 alla quale à ̈ saldata formano un’unica porzione elasticamente cedevole 10, 15.

Il secondo semigiunto 8 di ogni paletta 4 Ã ̈ collegato ad un quarto semigiunto 18 collocato su un bordo del secondo anello di supporto 3. Il secondo semigiunto 8 ed il quarto semigiunto 18 formano un secondo giunto 8, 18 che, come visibile nelle figure, presenta le medesime caratteristiche strutturali del primo giunto 7, 13.

Le porzioni elasticamente cedevoli 10, 15 di ogni giunto permettono, quando lo stadio 1 à ̈ sottoposto ai carichi della turbina in funzione, uno spostamento relativo radiale tra le palette 4 e gli anelli di supporto 2, 3 che à ̈ limitato dal contatto tra la zona prossimale 11 della rispettiva prima semiporzione 10, che svolge la funzione di porzione di finecorsa, con l’estremità distale 16 del rispettivo corpo centrale 14, che svolge la funzione di elemento di fermo. Tale spostamento à ̈ di circa 0.1 mm.

Nella citata sezione eseguita sul piano assiale (figura 3), ogni porzione elasticamente cedevole 10, 15 presenta uno spessore “t1†radiale pari a circa 1/5 dello spessore radiale “t2†dell’elemento di fermo 14. Inoltre, la zona prossimale 11 presenta uno spessore radiale “t3†circa doppio dello spessore radiale “t1†della porzione elasticamente cedevole 10, 15.

Lo stadio 1 sopra descritto viene costruito realizzando separatamente le palette 4 e i due anelli di supporto 2, 3, poi posizionando ciascuna paletta 4 sugli stadi 2, 3 e saldandola dopo il posizionamento.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per costruire stadi di turbine radiali centrifughe, comprendente: predisporre un primo anello di supporto (2) ed un secondo anello di supporto (3); approntare una pluralità di palette (4); collegare una prima estremità di ogni paletta (4) al primo anello di supporto (2) ed una seconda estremità di ogni paletta (4) al secondo anello di supporto (3); in cui collegare la prima o la seconda estremità al rispettivo primo o secondo anello di supporto (2, 3) comprende: saldare almeno una prima semiporzione (10), elasticamente cedevole lungo una direzione radiale ed appartenente alla rispettiva estremità della paletta (4), ad una seconda semiporzione (15), elasticamente cedevole lungo detta direzione radiale ed appartenente al rispettivo anello di supporto (2, 3), per formare una porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) lungo detta direzione radiale; disporre almeno una porzione di finecorsa (11) di detta estremità della paletta (4) affacciata, lungo detta direzione radiale, ad almeno un elemento di fermo (14) del rispettivo anello di supporto (2, 3); in cui la porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) permette alla porzione di finecorsa (11) di entrare in contatto con l’elemento di fermo (14) quando lo stadio (1) à ̈ sottoposto ai carichi di funzionamento della turbina.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui collegare la prima o la seconda estremità al rispettivo primo o secondo anello di supporto (2, 3) comprende: disporre due prime semiporzioni (10) a cavallo dell’elemento di fermo (14) e saldarle a rispettive seconde semiporzioni (15) poste ai lati di detto elemento di fermo (14) e radialmente distanziate da detto elemento di fermo (14).
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, comprendente: disporre due porzioni di finecorsa (11) di detta estremità affacciate, lungo detta direzione radiale, a lati opposti dell’elemento di fermo (14).
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui la prima semiporzione (10) Ã ̈ saldata di testa alla seconda semiporzione (15).
5. 5. Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui la saldatura à ̈ laser.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui la saldatura à ̈ di tipo pulsato, preferibilmente a completa penetrazione.
7. 7. Stadio di una turbina radiale centrifuga comprendente: un primo anello di supporto (2) ed un secondo anello di supporto (3); una pluralità di palette (4) ciascuna presentante una prima estremità ed una seconda estremità; primi giunti (7, 13), ciascuno interposto tra la prima estremità di ciascuna paletta (4) ed il primo anello di supporto (2), e secondi giunti (8, 18), ciascuno interposto tra la seconda estremità di ciascuna paletta (4) ed il secondo anello di supporto (3); caratterizzato dal fatto che ciascuno dei primi giunti (7, 13) e/o dei secondi giunti (8, 18) comprende: almeno una porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) lungo una direzione radiale ed unita alla rispettiva paletta (4) ed al rispettivo anello di supporto (2; 3); almeno un elemento di fermo (14) solidale al rispettivo anello di supporto (2; 3); almeno una porzione di finecorsa (11) solidale alla rispettiva paletta (4) ed affacciata, lungo detta direzione radiale, all’elemento di fermo (14); in cui la porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) permette alla porzione di finecorsa (11) di entrare in contatto con l’elemento di fermo (14) quando lo stadio (1) à ̈ sottoposto ai carichi di funzionamento della turbina.
8. 8. Stadio secondo la rivendicazione 7, in cui, in un piano di sezione contenente l’asse di rotazione dello stadio (1), ciascuno dei primi giunti (7, 13) e/o dei secondi giunti (8, 18) presenta due di dette porzioni di collegamento elasticamente cedevoli (10, 15) poste da lati opposti dell’elemento di fermo (14) e distanziate da detto elemento di fermo (14).
9. 9. Stadio secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui ogni porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) comprende una prima semiporzione (10) giuntata alla paletta (4) ed una seconda semiporzione (15) giuntata all’anello di supporto (2; 3) ed in cui la prima semiporzione (10) e la seconda semiporzione (15) sono reciprocamente saldate.
10. 10. Stadio secondo la rivendicazione 7, 8 o 9, in cui ogni porzione di collegamento elasticamente cedevole (10, 15) presenta uno spessore radiale (t1) compreso tra circa 1/4 e circa 1/6 di uno spessore radiale (t2) dell’elemento di fermo (14).