ITMI20131637A1

ITMI20131637A1 - Turbina di espansione

Info

Publication number: ITMI20131637A1
Application number: IT001637A
Authority: IT
Inventors: Dario Rizzi; Claudio Spadacini
Original assignee: Exergy Spa
Priority date: 2013-10-03
Filing date: 2013-10-03
Publication date: 2015-04-04
Also published as: WO2015049607A1; EP3052759A1; US20160237841A1; CN105683501B; CN105683501A

Description

DESCRIZIONE

“TURBINA DI ESPANSIONE”

Campo del trovato

La presente invenzione ha per oggetto una turbina di espansione, detta anche semplicemente espansore, per la produzione di energia elettrica e/o meccanica. Preferibilmente ma non esclusivamente, la presente invenzione si riferisce alle turbine di espansione utilizzate negli apparati per la produzione di energia tramite ciclo Rankine organico (ORC). In tali apparati, di per sé noti, sono utilizzati fluidi di lavoro di tipo organico al posto del tradizionale sistema acqua/vapore, in quanto un fluido organico è in grado di convertire in modo più efficiente fonti di calore a temperature relativamente basse, generalmente tra 100°C e 300°C, ma anche a temperature superiori. Gli apparati di conversione ORC stanno pertanto trovando sempre più ampie applicazioni in settori diversi, ad esempio in campo geotermico, nel recupero energetico industriale, in impianti di produzione di energia da biomasse e da energia solare concentrata, nei rigassificatori, ecc..

Background del trovato

Sono note diverse tipologie di espansori/turbine per convertire energia termica in energia elettrica e/o meccanica tramite un ciclo Rankine organico (ORC). Fra le tipologie più note si ricordano gli espansori assiali e quelli radiali ad uno o più stadi in serie.

In generale, una turbina di tipo noto è composta da un corpo fisso, chiamato statore, e da una parte mobile, chiamata rotore. La parte rotorica della turbina è costituita da un albero al quale sono fissate una o più stadi di espansione del fluido di lavoro. L' assemblaggio della parte rotorica e statorica è effettuato tramite un gruppo meccanico che garantisce la quasi nullità dei movimenti relativi delle parti rotoriche e statoriche a meno della rotazione intorno all'asse di rotazione coincidente con l'albero della macchina.

Il documento pubblico WO 2012/093299, a nome della stessa Richiedente, illustra una turbina di espansione che comprende: una cassa presentante un ingresso e un’uscita per un fluido di lavoro; uno statore installato nella cassa; un rotore installato nella cassa e girevole attorno ad un rispettivo asse di rotazione; un cannotto vincolato alla cassa; un gruppo meccanico installato nel cannotto. Il gruppo meccanico comprende una boccola ed un albero installato girevolmente nella boccola. L'albero è collegato in modo removibile al rotore e l'intero gruppo meccanico, incluso l'albero, è estraibile in blocco dal cannotto dalla parte opposta a! rotore. Il rotore è mobile lungo la direzione assiale tra una prima configurazione, in cui il gruppo meccanico è installato nel cannotto ed il rotore è distanziato dal cannotto, in modo da poter ruotare sotto l’azione del fluido di lavoro, ed una seconda configurazione, in cui il gruppo meccanico è estratto dal cannotto ed il rotore è appoggiato contro il cannotto in corrispondenza di una tenuta statica. La turbina comprende inoltre un tirante che permette di serrare il rotore contro l'albero e renderli solidali. L'albero presenta un passaggio assiale all'interno del quale trova alloggiamento il tirante. Il tirante presenta una testa che sporge dalla prima estremità dell'albero ed è colìegata al rotore. Il tirante è infilato in un foro centrale del rotore e la testa presenta una superficie sferica che giace contro una superficie sferica del rotore rivolta da parte opposta rispetto al gruppo meccanico. Il tirante presenta un’estremità terminale opposta alla testa e sporgente dalla seconda estremità dell'albero. Un dado avvitato sull'estremità terminale serra il rotore contro l'albero, in modo che il rotore e l'albero ruotino solidali.

Il documento pubblico WO 2012/004821 illustra un dispositivo di tenuta di fluido per macchine rotanti aventi una parte rotorica includente almeno un disco portato da un albero rotante girevole rispetto ad una parte statorica in presenza di fluido. L'albero rotante è dotato di almeno un sistema di tenuta definente un primo ambiente ad una prima pressione. La parte statorica ha una parete di fronte al disco definente con esso un secondo ambiente che contiene un fluido ad una seconda pressione. Il dispositivo comprende un anello mobile posto tra la parete della parte statorica ed il disco della parte rotorica e dotato di almeno una guarnizione frontale di tenuta rivolta verso detto disco. L'anello mobile è spostabile assialmente tra una posizione inattiva, nella quale la guarnizione di tenuta frontale è lontana da detto disco, ed una posizione attiva, nella quale detta guarnizione frontale di tenuta appoggia contro detto disco. L’anello mobile è spostato nella posizione attiva quando la macchina rotante è ferma per impedire un passaggio di fluido da uno di detti ambienti all'altro ambiente.

Sommario

In tale ambito la Richiedente ha osservato che la turbina descritta ed illustrata nel documento WO 2012/093299 sopra citato può essere migliorata in modo da facilitare ulteriormente l’accesso alle sue parti e consentire una manutenibilità ancora più agevole ed efficace senza la necessità di svuotare la turbina stessa dal fluido di lavoro.

In particolare, la Richiedente ha percepito la necessità di poter accedere alla faccia frontale del rotore in corrispondenza dell’asse di rotazione, laddove sono presenti i mezzi che vincolano l’albero al rotore stesso, senza dover svuotare il circuito all’interno del quale fluisce il fluido di lavoro.

La Richiedente ha trovato che gli obiettivi sopra indicati possono essere raggiunti disponendo tra il rotore e lo statore, in una posizione radialmente interna alle palette rotoriche e statoriche, una tenuta statica che può essere portata in appoggio, quando la turbina è ferma, sia contro lo statore che contro il rotore in modo da sigillare il volume radialmente esterno a detta tenuta statica e delimitato tra lo statore ed il rotore.

Più specificatamente, secondo un primo aspetto, la presente invenzione riguarda una turbina di espansione, comprendente:

una cassa;

uno statore integrato o installato nella cassa e presentante palette statoriche; un rotore montato nella cassa, presentante palette rotoriche ed affacciato allo statore, in cui il rotore è girevole attorno ad un rispettivo asse di rotazione;

in cui lo statore ed il rotore delimitano tra loro un volume di espansione, per un fluido di lavoro, provvisto di dette palette rotoriche e statoriche,

un cannotto integrato o installato sulla cassa;

un albero montato girevolmente nel cannotto e rotante attorno all'asse di rotazione;

in cui l'albero è collegato in modo amovibile al rotore ed è estraibile dal cannotto dalla parte opposta a detto rotore;

caratterizzata dal fatto di comprendere:

dispositivi di collegamento amovibile del rotore all’albero presentanti una porzione di manovra collocata presso una faccia frontale de! rotore opposta al cannotto ed affacciata in uno spazio di accesso;

almeno una tenuta statica anteriore interposta tra il rotore e lo statore e collocata in posizione radialmente interna al volume di espansione; in cui la tenuta statica anteriore ed il rotore sono mobili una rispetto all’altro tra una prima posizione, in cui la tenuta statica anteriore lascia libero un passaggio in comunicazione di fluido con il volume di espansione, ed una seconda posizione, in cui detta tenuta statica anteriore sigilla detto passaggio ed isola a tenuta il volume di espansione dallo spazio di accesso a detta porzione di manovra.

Per “porzione di manovra” si intende l’elemento sul quale un operatore deve agire per azionare (montare/smontare) i dispositivi di collegamento amovibile.

La tenuta statica anteriore nella seconda posizione (passaggio sigillato) permette all’operatore di accedere alla porzione di manovra e di smontare l’albero (estraendolo dal cannotto dalla parte opposta al rotore) mentre il fluido di lavoro rimane confinato nel volume di espansione.

Preferibilmente, tale turbina è del tipo radiale centrifugo ed è parte di impianti per la cogenerazione di energia del tipo a ciclo Rankine che sono a circuito chiuso (per cui il fluido di lavoro rimane nel circuito anche durante la manutenzione) ed utilizzano fluidi organici ad alto peso molecolare. L'ingresso del fluido nel volume di espansione avviene in corrispondenza di una porzione radialmente interna della turbina, il fluido si muove espandendosi verso l’esterno, in allontanamento dall’asse di rotazione, e fuoriesce in corrispondenza di una porzione radialmente esterna della turbina.

Preferibilmente, tale turbina è radiale centrifuga con ultimo/i stadi assiale/i.

La Richiedente ha percepito che la turbina radiale centrifuga o centrifuga con ultimo/i stadi assiale/i è inaspettatamente adatta all’utilizzo con questo tipo di fluidi in quanto:

<■>le espansioni nei cicli ORC sono caratterizzate da bassi salti entalpici e la turbina radiale centrifuga è adatta ad applicazioni con bassi salti entalpici in quanto realizza, a parità di velocità periferica e grado di reazione, lavori più bassi rispetto alle macchine assiali e/o radiali centripete;

<■>le espansioni nei cicli ORC sono caratterizzate da basse velocità di rotazione e da basse velocità periferiche del rotore, grazie ai bassi salti entalpici che caratterizzano i cicli menzionati, temperature modeste o in ogni caso non elevate come ad esempio nelle turbine a gas, e la turbina radiale centrifuga ben si adatta a situazioni con bassi stress meccanici e termici;

<■>poiché i cicli Rankine in generale e quelli ORC in particolare sono caratterizzati da elevati rapporti di espansione volumetrici, la turbina radiale centrifuga ottimizza l'altezza delle palette della macchina, ed in particolare del primo stadio, grazie al fatto che il diametro della ruota cresce nella direzione del flusso; risulta pertanto quasi sempre possibile l'ammissione totale e non parzializzata;

<■>dato che la forma costruttiva della turbina radiale centrifuga permette di realizzare più stadi di espansione su un unico disco, è possibile ridurre le perdite per flussi secondari e trafilamenti di espansione in configurazione radiale centrifuga rende superfluo svergolare le palette sull’ultimo stadio dell'espansione, semplificando in questo modo la costruzione della macchina.

In un secondo aspetto in accordo con il primo aspetto, la tenuta statica anteriore è dei tipo a geometria variabile ed è mobile rispetto allo statore ed alla cassa tra la prima e la seconda posizione.

Per “tenuta statica a geometria variabile" si intende un elemento che può assumere almeno due “sagome/configurazioni geometriche" differenti: una contratta, in cui occupa un volume inferiore per rimanere distanziato da una superficie con cui deve fare tenuta, ed una espansa, in cui occupa un volume superiore per toccare detta superficie.

In un terzo aspetto in accordo con almeno uno degli aspetti precedenti, la turbina comprende una tenuta statica posteriore definita tra il cannotto e/o una parete posteriore ed il rotore; in cui la tenuta statica posteriore ed il rotore sono mobili una rispetto all’altro tra una prima posizione, in cui la tenuta statica posteriore ed il rotore sono reciprocamente distanziati ed una seconda posizione, in cui il rotore e detta tenuta statica posteriore poggiano uno contro l'altra. La tenuta statica posteriore permette di isolare l’alloggiamento interno dei cannotto e di estrarre l’albero senza che il fluido di lavoro fuoriesca attraverso lo spazio lasciato libero dall'albero stesso.

In un quarto aspetto in accordo con l’aspetto precedente, la tenuta statica posteriore è del tipo a geometria variabile ed è mobile rispetto allo statore ed alla cassa tra la prima e la seconda posizione.

In un quinto aspetto in accordo con uno degli aspetti precedenti, il rotore è mobile lungo una direzione assiale tra una prima configurazione, in cui è distanziato da una parete posteriore della cassa in modo da poter ruotare sotto l’azione del fluido di lavoro, ed una seconda configurazione, in cui è appoggiato a tenuta contro la parete posteriore.

Preferibilmente, la turbina comprende dispositivi di bloccaggio atti a bloccare il rotore contro la parete posteriore, e ad impedirne la traslazione assiale e la rotazione durante il fermo macchina, ad esempio per operazioni di riparazione e/o manutenzione.

In un sesto aspetto in accordo con l’aspetto precedente, la turbina comprende una tenuta statica posteriore definita tra il cannotto e/o la parete posteriore ed il rotore tale per cui il rotore, nella seconda configurazione, poggia contro il cannotto e/o la parete posteriore in corrispondenza di tale tenuta statica posteriore.

In un settimo aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per smontare una turbina di espansione in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, comprendente:

<■>arretrare il rotore rispetto al cannotto fino a portare detto rotore contro detto cannotto in corrispondenza della tenuta statica posteriore;

<■>bloccare il rotore contro il cannotto;

<■>portare la tenuta statica anteriore a geometria variabile nella seconda posizione;

<■>sfilare l’albero mentre il rotore è bloccato contro detto cannotto.

In un ottavo aspetto secondo uno o più degli aspetti dal primo al quarto, il rotore è mobile lungo una direzione assiale tra una prima configurazione, corrispondente alla prima posizione, in cui è distanziato dalla tenuta statica anteriore in modo da poter ruotare sotto l’azione del fluido di lavoro, ed una seconda configurazione corrispondente alla seconda posizione, in cui è appoggiato contro detta tenuta statica anteriore.

Preferibilmente, la turbina comprende dispositivi di bloccaggio atti a bloccare il rotore contro la tenuta statica anteriore e ad impedirne la traslazione assiale e la rotazione durante il fermo macchina, ad esempio per operazioni di riparazione e/o manutenzione.

In un nono aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per smontare una turbina di espansione in accordo con uno o più degli aspetti precedenti dal primo al quarto e/o con l'ottavo aspetto, comprendente:

<■>avanzare il rotore rispetto al cannotto fino a portare detto rotore contro la tenuta statica anteriore;

<■>bloccare il rotore contro la tenuta statica anteriore;

<■>portare la tenuta statica posteriore a geometria variabile nella seconda posizione;

* sfilare l’albero mentre il rotore è bloccato. ;In un decimo aspetto secondo uno o più degli aspetti dal primo al quarto, il rotore è assialmente fisso e la turbina comprende dispositivi di bloccaggio atti a impedirne la rotazione durante il fermo macchina, ad esempio per operazioni di riparazione e/o manutenzione. ;In un undicesimo aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per smontare una turbina di espansione in accordo con uno o più degli aspetti precedenti dal primo al quarto e/o con il decimo aspetto, comprendente: ;<■>bloccare la rotazione del rotore; ;<■>portare la tenuta statica anteriore a geometria variabile nella seconda posizione; ;<■>portare la tenuta statica posteriore a geometria variabile nella seconda posizione; ;<■>sfilare l’albero mentre il rotore è bloccato. ;In un dodicesimo aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, l’albero è installato girevolmente, ad esempio tramite cuscinetti, in una boccola montata nel cannotto. La boccola non può ruotare rispetto al cannotto. La boccola e l’albero formano parte di un gruppo meccanico che viene estratto per intero dal cannotto. In altre parole, l’albero è estraibile assialmente da! cannotto insieme alla boccola ed agli eventuali cuscinetti. ;In un tredicesimo aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica anteriore presenta uno sviluppo sostanzialmente circolare sostanzialmente coassiale all’asse di rotazione ed è disposta tutto attorno alla porzione di manovra. ;In un quattordicesimo aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, la cassa presenta una parete anteriore ed una parete posteriore, in cui lo statore è ricavato nella o collocato presso la parete anteriore; in cui i! rotore è frapposto tra la parete anteriore e la parete posteriore. ;In un quindicesimo aspetto in accordo con uno degli aspetti precedenti, i dispositivi di collegamento amovibile comprendono almeno una vite avvitata in una sede frontale dell’albero. ;In un sedicesimo aspetto in accordo con l’aspetto precedente, la porzione di manovra è una testa della vite (ad esempio con intaglio esagonale o torx). ;In un diciassettesimo aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, la turbina comprende un giunto autocentrante, preferibilmente ad accoppiamento dentato (ad esempio tipo Hirth), collegante l’albero a! rotore. ;In un diciottesimo aspetto in accordo con l’aspetto precedente, una porzione di tale giunto propria dell’albero è ricavata attorno ad una sede frontale di detto albero nella quale si impegnano i dispositivi di collegamento amovibile del rotore all’albero stesso. ;In un diciannovesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la turbina comprende una parete sostanzialmente tubolare coassiale all’asse di rotazione e delimitante lo spazio di accesso. Tale parete consente l'accesso sicuro dell’operatore alla porzione di manovra perché evita ogni possibile contatto con gli elementi attivi della turbina (ad esempio con le palette). Preferibilmente, la tenuta statica anteriore è posta su un primo bordo di estremità della parete sostanzialmente tubolare rivolto verso il rotore. Preferibilmente, detto passaggio è delimitato tra il primo bordo di estremità della parete sostanzialmente tubolare rivolto verso il rotore ed il rotore stesso. Preferibilmente, la parete sostanzialmente tubolare forma parte dello statore o comunque è solidale allo statore. Preferibilmente, la parete sostanzialmente tubolare porta, in posizione radialmente esterna al passaggio di accesso, la prima serie di palette statoriche radialmente più interne. ;In un ventesimo aspetto in accordo con l’aspetto precedente, un condotto di immissione dei fluido di lavoro in comunicazione di fluido con il volume di espansione è ricavato in una posizione radialmente esterna a detta parete sostanzialmente tubolare. Il condotto di immissione è definito da un passaggio a sezione anulare che circonda la parete sostanzialmente tubolare. Preferibilmente, un corpo cilindrico, parte della cassa, è disposto attorno alla parete sostanzialmente tubolare e radialmente distanziato dalla stessa in modo da delimitare il citato condotto di immissione. ;In un ventunesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la turbina comprende un coperchio amovibile atto a chiudere a tenuta detto spazio di accesso. ;In un ventiduesimo aspetto secondo l’aspetto precedente, il coperchio poggia a tenuta contro un secondo bordo di estremità della parete sostanzialmente tubolare, assialmente opposto al primo. La chiusura a tenuta serve ad impedire la fuoriuscita del fluido di lavoro durante il funzionamento della turbina, quando la tenuta statica anteriore è nella prima posizione, in cui lascia libero il passaggio delimitato tra il rotore ed il primo bordo di estremità della parete sostanzialmente tubolare. ;In un ventitreesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, l’albero, a parte l’eventuale sede frontale per i dispositivi di collegamento amovibile, è pieno, ovvero non presenta alcun condotto passante assiale. In questo modo si garantisce all’albero una sufficiente resistenza a torsione necessaria per evitare eccessive deformazioni torsionali dovute alle elevate coppie con basse velocità di rotazione tipiche del funzionamento delle turbine negli apparati a ciclo Rankine. Quindi la presente invenzione permette di smontare l'albero anche in casi con elevata coppia in cui la soluzione con albero cavo descritta in WO 2012/093299 è difficilmente realizzabile. ;In un ventiquattresimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica anteriore è montata sullo statore e, quando è nella seconda posizione, poggia e spinge contro il rotore. ;In un venticinquesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti dal primo al ventitreesimo, la tenuta statica anteriore è montata sul rotore e, quando è nella seconda posizione, poggia e spinge contro lo statore. ;In un ventiseiesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica anteriore è mobile assialmente tra la prima e la seconda posizione. La tenuta statica anteriore va a poggiarsi frontalmente contro il rotore o contro lo statore (dipende da dove è montata). ;In un ventisettesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti dal primo al venticinquesimo, la tenuta statica anteriore è mobile radialmente tra la prima e la seconda posizione. ;In un ventottesimo aspetto secondo l’aspetto precedente, la turbina comprende un’appendice a sviluppo assiale solidale al rotore, in cui la tenuta statica anteriore è montata sullo statore ed agisce radialmente su detta appendice. L’appendice è cilindrica e preferibilmente coassiale aN'asse di rotazione. L’appendice si estende preferibilmente a sbalzo da una faccia frontale del rotore. ;In un ventinovesimo aspetto secondo il ventottesimo aspetto, la turbina comprende un’appendice a sviluppo assiale solidale allo statore, in cui la tenuta statica anteriore è montata sul rotore ed agisce radialmente su detta appendice. In un trentesimo aspetto secondo uno degli aspetti dal ventisettesimo al ventinovesimo, la tenuta statica anteriore è a geometria variabile e si contrae radialmente per aderire contro detta appendice. ;In un trentunesimo aspetto secondo uno degli aspetti dal ventisettesimo al ventinovesimo, la tenuta statica anteriore è a geometria variabile si espande radialmente per aderire contro detta appendice. ;In un trentaduesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica anteriore è a geometria variabile ed è una guarnizione gonfiabile, ossia ad avanzamento per pressurizzazione. La prima posizione della tenuta statica anteriore a geometria variabile è ottenuta sgonfiando la guarnizione gonfiabile. La seconda posizione della tenuta statica anteriore a geometria variabile è ottenuta gonfiando la guarnizione gonfiabile. ;In un trentatreesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica anteriore è a geometria variabile e è definita da un cassetto mobile mosso preferibilmente da un pistone, ad esempio ad azionamento idraulico. ;In un trentaquattresimo aspetto secondo uno o più degli aspetti dai terzo al trentaduesimo, la tenuta statica posteriore è a geometria variabile ed è una guarnizione gonfiabile, ossia ad avanzamento per pressurizzazione. La prima posizione della tenuta statica posteriore a geometria variabile è ottenuta sgonfiando la guarnizione gonfiabile. La seconda posizione della tenuta statica posteriore a geometria variabile è ottenuta gonfiando la guarnizione gonfiabile. In un trentacinquesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti precedenti, la tenuta statica posteriore è a geometria variabile e è definita da un cassetto mobile mosso preferibilmente da un pistone, ad esempio ad azionamento idraulico, in un trentaseiesimo aspetto secondo il trentaduesimo e/o il trentaquattresimo aspetto, la turbina presenta almeno un canale in comunicazione di fluido con la guarnizione gonfiabile e con una sorgente di gas in pressione, in cui detta sorgente è attivabile su comando (tramite ad esempio una valvola). ;In un trentasettesimo aspetto secondo il trentaduesimo e/o il trentaquattresimo e/o il trentaseiesimo aspetto, la/e guarnizione/i gonfiabile/i contiene/contengono un gas inerte, ad esempio azoto. Questa soluzione è preferita soprattutto se il fluido di lavoro è infiammabile. ;In un trentottesimo aspetto secondo uno o più degli aspetti tra il trentaduesimo e/o il trentaquattresimo e/o il trentaseiesimo e/o il trentasettesimo, la/e guarnizione/i gonfiabile/i è/sono realizzata/e in materiale elastomerico preferibilmente rinforzato con cordicelle. Preferibilmente, il materiale della guarnizione viene scelto in funzione della tipologia del fluido di lavoro perché non si alteri interagendo con detto fluido di lavoro. ;In un trentanovesimo aspetto in accordo con il settimo o il nono o l'undicesimo aspetto, il metodo comprende, dopo aver portato la tenuta statica anteriore e/o la tenuta statica posteriore nella seconda posizione e prima di sfilare l'albero: ;<■>rimuovere il coperchio; ;<■>agire sulla porzione di manovra e rimuovere i dispositivi di collegamento. In un quarantesimo aspetto in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, la presente invenzione riguarda un metodo per smontare una turbina di espansione in accordo con uno o più degli aspetti precedenti, comprendente: ;<■>bloccare la rotazione del rotore; ;<»>portare la tenuta statica anteriore ed il rotore nella rispettiva seconda posizione, muovendo la tenuta statica anteriore, se questa è del tipo a geometria variabile, verso il rotore oppure il rotore verso la tenuta statica anteriore; ;<■>portare la tenuta statica posteriore ed il rotore nella rispettiva seconda posizione, muovendo la tenuta statica posteriore, se questa è del tipo a geometria variabile, verso il rotore oppure il rotore verso la tenuta statica posteriore; ;<■>rimuovere il coperchio; ;<■>agire sulla porzione di manovra e rimuovere i dispositivi di collegamento;<■>sfilare l'albero mentre il rotore è bloccato. ;Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di una forma d’esecuzione preferita, ma non esclusiva, di una turbina di espansione in accordo con la presente invenzione. ;;Descrizione dei disegni ;Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali: ;<■>la figura 1 illustra in sezione una turbina di espansione secondo la presente invenzione; ;<■>la figura 2 illustra una porzione della turbina di figura 1 in una prima configurazione operativa; ;<■>la figura 3 illustra la porzione di figura 2 in una seconda configurazione operativa; ;<■>la figura 4 illustra una diversa forma realizzativa della porzione di cui alle figure 2 e 3 nella prima configurazione operativa; ;* la figura 5 illustra la diversa forma realizzativa di figura 4 nella seconda configurazione operativa;

<■>la figura 6 illustra una diversa forma realizzativa della tenuta di cui alle figure 2 e 3;

<■>la figura 7 illustra una diversa porzione della turbina di figura 1 secondo una variante della presente invenzione; e

<■>la figura 8 illustra la porzione di figura 7 con una diversa forma realizzativa della tenuta di cui alla figura 7.

Descrizione dettagliata

Con riferimento alle figure citate, con il numero di riferimento 1 è stata complessivamente indicata una turbina di espansione in accordo con la presente invenzione.

La turbina di espansione 1 illustrata è del tipo radiale centrifugo (outflow) utilizzata negli apparati per la generazione di energia meccanica e/o elettrica tramite ciclo Rankine organico (ORC). La turbina 1 può presentare almeno un ulteriore stadio di tipo assiale (non illustrato) disposto in posizione radialmente esterna a definire una turbina radiale/assiale.

La turbina 1 comprende un rotore 2, o disco rotorico, provvisto di una pluralità di palette rotoriche 2a disposte in serie di anelli concentrici su una rispettiva faccia frontale del rotore 2. La turbina 1 comprende uno statore 3 provvisto di una pluralità di palette statoriche 3a disposte in serie di anelli concentrici su una rispettiva faccia dello statore 2. Le facce con le palette 2a, 3a sono poste una di fronte all’altra a delimitare un volume di espansione “V” per il fluido di lavoro. Le serie di palette statoriche 3a sono alternate alle serie di palette rotoriche 2a lungo una direzione radiale. In una variante realizzativa non illustrata, la turbina 1 presenta una serie di palelle fisse collocate attorno al disco rotorico e atte a deviare il flusso radiale uscente perifericamente in un flusso assiale che transita successivamente in uno o più stadi di turbina assiale.

Il rotore 2 è collocato in una cassa che comprende una parete anteriore 4a, la quale definisce in parte lo statore 3, e che comprende anche una parete posteriore 4b collocata dalla parte opposta del rotore 2 rispetto allo statore 3. La parete posteriore 4b è giuntata ad un cannotto 5 solidale alla cassa.

All'interno del cannotto 5 è montato in modo removibile un gruppo meccanico 6, il quale porta un albero 7 che si sviluppa lungo un asse di rotazione "X-X" ed è libero di ruotare attorno a detto asse "X-X" insieme ai rotore 2 al quale è collegato in corrispondenza di una propria prima estremità 7'. Più in dettaglio, il gruppo meccanico 6 comprende una boccola 8 coassiale al cannotto 5. La boccola 8 e/o il cannotto 5 presentano inoltre scanalature e/o chiavette, non illustrate, che impediscono la rotazione relativa tra boccola 8 e cannotto 5 attorno all'asse di rotazione "X-X".

Nella boccola 8 sono montati cuscinetti a sfere 9 che supportano l’albero 7 in modo che sia libero di girare attorno all’asse di rotazione "X-X" all’interno della boccola stessa 8.

Nell'esempio non limitativo illustrato, il gruppo meccanico 6 comprende due cuscinetti 9 affiancati e collocati in una posizione assialmente intermedia della boccola 8 ed un ulteriore cuscinetto 9 posizionato ad un'estremità della boccola 8 prossima ad una seconda estremità 7" dell’albero 7.

Il gruppo meccanico 5 comprende inoltre un dispositivo di tenuta 10 disposto tra la boccola 8 e l’albero 7 in corrispondenza della prima estremità 7' dell’albero 7 e un paraolio 11 disposto tra la boccola 8 e l’albero 7 in corrispondenza della seconda estremità 7" dell’albero 7.

Sulla prima estremità 7 dell’albero 7 è ricavata una dentatura, non illustrata, che, quando la turbina 1 è montata e pronta per lavorare, è impegnata con una dentatura, non illustrata, ricavata sul rotore 2. Le due dentature definiscono un giunto autocentrante tipo Hirth o equivalente.

L’albero 7 presenta una sede frontale filettata 12 ricavata sulla prima estremità 7' e sviluppantesi lungo l’asse di rotazione "X-X" Tale sede 12 si sviluppa per un tratto limitato all’interno dell’albero 7.

Il rotore 2 presenta un foro centrale passante 13 ed una vite 14 è impegnata in modo removibile nel foro centrale passante 13 e nella sede frontale filettata 12 per vincolare in modo solidale il rotore 2 all’albero 7. La vite 14 presenta una testa 15 che poggia in battuta contro una superficie di riscontro 16 delimitata nel foro centrale passante 13. La vite 14, una volta serrata, tira il rotore 2 contro l’albero 7 e mantiene impegnate le dentature del giunto autocentrante, impedendo ogni movimento assiale e rotazionale reciproco tra il rotore 2 e l’albero 7. La vite 14, il foro centrale passante 13 e la sede frontale filettata 12 definiscono dispositivi di collegamento amovibile del rotore 2 all’albero 7. La testa 15 della vite 14, che presenta ad esempio un incavo 17 per l’impegno di un opportuno attrezzo, definisce una porzione di manovra di detti dispositivi di collegamento amovibile 14, 13, 12.

Sulla faccia del cannotto 5 e/o della parete posteriore 4b rivolta verso il rotore 2 è ricavato un elemento 18 (illustrato in modo schematico) di una tenuta statica posteriore che risulta affacciato ad un corrispondente elemento (non illustrato) di detta tenuta statica posteriore presente sul rotore 2. Nella rappresentazione schematica illustrata, tale elemento 18 è un rilievo anulare e la tenuta statica posteriore è definita dall’appoggio di tale rilievo anulare 18 contro una superficie posteriore 19 del rotore 2, come verrà più avanti dettagliato. Durante il normale funzionamento della turbina 1, tale rilievo anulare 18 rimane distanziato dalla superficie posteriore 19 del rotore 2.

La cassa comprende una parete sostanzialmente tubolare 20 che è collocata davanti al rotore 2 in una posizione centrale radialmente interna rispetto al volume di espansione “V”. La parete sostanzialmente tubolare 20 è coassiale all’albero 2 e delimita internamente uno spazio di accesso 21 affacciato alla testa 15 della vite 14. Detto spazio di accesso 21 è definito dal condotto passante definito dalla parete sostanzialmente tubolare 20. La parete sostanzialmente tubolare 20 è solidale alle restanti parti della cassa ed allo statore 3. Una prima estremità assiale della parete sostanzialmente tubolare 20 presenta un primo bordo di estremità provvisto di una prima superficie 22 rivolta verso il rotore 2 e da questo distanziata da un’intercapedine. Una seconda estremità assiale della parete sostanzialmente tubolare 20, opposta alla prima estremità assiale, presenta un secondo bordo di estremità provvisto di una seconda superficie 23. La prima estremità assiale porta inoltre una sorta di flangia 24.

Un corpo cilindrico 25 è disposto attorno alla parete sostanzialmente tubolare 20, è coassiale all'albero 2 ed è solidale alle pareti 4a, 4b della cassa ed allo statore 3. Tra il corpo cilindrico 25 e la parete sostanzialmente tubolare 20 è delimitato un condotto di immissione 26 del fluido di lavoro nel volume di espansione ”V”. II condotto di immissione 26 presenta, in una sezione ortogonale all’asse di rotazione “X-X”, una sagoma anulare. Una prima estremità assiale del condotto di immissione 26 prossima al rotore 2 è in comunicazione di fluido con il volume di espansione “V”. In particolare, detta prima estremità assiale del condotto di immissione 26 è delimitata dal corpo cilindrico 25 e dalla flangia 24. La flangia 24 presenta una superficie curva 27 che determina il passaggio del fluido di lavoro da una direzione assiale (nel condotto di immissione) ad una direzione radiale (nei volume di espansione “V”). La flangia 24 porta inoltre la prima serie, radialmente più interna, di palette statoriche 3a e forma pertanto parte di detto statore 3.

Un coperchio amovibile 28 chiude a tenuta lo spazio di accesso 21 poggiando contro la seconda superficie 23 della parete sostanzialmente tubolare 20. Tale coperchio 28 è fissato, ad esempio con viti removibili non illustrate, alla parete sostanzialmente tubolare 20. Una flangia anulare 28a chiude invece stabilmente una seconda estremità assiale del condotto di immissione 26, opposta alla prima. Il corpo cilindrico 25 presenta inoltre un’apertura radiale 29 per l’ingresso del fluido di lavoro proveniente dal circuito posto a monte della turbina 1.

Una tenuta statica anteriore a geometria variabile 30 è posizionata sulla prima superficie 22 della parete sostanzialmente tubolare 20 ed è rivolta verso il rotore 2. Nella forma realizzativa illustrata, la tenuta statica anteriore a geometria variabile 30 è una guarnizione gonfiabile attaccata alia prima superficie 22 e presentante una sagoma anulare (non visibile nelle figure) che si sviluppa tutto attorno allo spazio di accesso 21 che si apre verso il rotore 2 e verso la testa 15 della vite 13. La guarnizione gonfiabile 30 è collegata tramite uno o più canali 31 ricavati nella parete sostanzialmente tubolare 20 ad una sorgente 32 di aria/gas (ad esempio azoto) in pressione. La guarnizione gonfiabile 30 può essere gonfiata e sgonfiata su comando.

La guarnizione gonfiabile 30 è realizzata in materiale elastomerico rinforzato con cordicelle e presenta una porzione di base 33a alloggiata stabilmente in una sede ricavata nella prima superficie 22 ed una porzione attiva 33b destinata, quando viene gonfiata, ad espandersi, ad entrare in contatto ed a premere contro una superficie 34 del rotore 2 in modo da garantire la tenuta al passaggio del fluido di lavoro (figure 2 e 3).

In una variante realizzativa, non illustrata, la guarnizione gonfiabile 30 è montata sul rotore 2 e la porzione attiva 33b è destinata, quando viene gonfiata, ad espandersi, ad entrare in contatto ed a premere contro la prima superficie 22.

In una diversa forma realizzativa, illustrata schematicamente nelle figure 4 e 5, la guarnizione gonfiabile 30 agisce radialmente. Il rotore 2 comprende un’appendice 35 definita da un corpo cilindrico coassiale all’asse di rotazione ed all’albero 7 che si estende a sbalzo dal rotore 2 stesso ed entra parzialmente all'interno dello spazio di accesso 21. La porzione di base 33a della guarnizione gonfiabile 30 è alloggiata in una sede ricavata in una superficie radialmente interna 36 della parete sostanzialmente tubolare 20 e la porzione attiva 33b si affaccia verso una superficie radialmente esterna 37 dell'appendice 35. La porzione attiva 33b è destinata, quando viene gonfiata, ad espandersi, ad entrare in contatto ed a premere contro la superficie radialmente esterna 37 dell’appendice 35 in modo da garantire la tenuta al passaggio del fluido di lavoro.

In una variante realizzativa, non illustrata, della diversa forma realizzativa la guarnizione gonfiabile 30 è montata sull’appendice 35 e la porzione attiva 33b è destinata, quando viene gonfiata, ad espandersi, ad entrare in contatto ed a premere contro la superficie radialmente interna 36 della parete sostanzialmente tubolare 20.

Quando la turbina 1 è correttamente montata per lavorare (figura 1 ), la boccola 8 è inserita e bloccata nel cannotto 5 tramite viti 38 (delle quali sono illustrati i soli assi) inserite in una flangia 39 della boccola 8 e nel cannotto 5 stesso. L'albero 7 è solidale al rotore 2 (per mezzo della vite 14 e del giunto dentato) ed il rotore 2 è distanziato sia dalla parete 4 (e dall'elemento anulare 18) che dalla guarnizione gonfiabile 30. L’albero 7 ed il rotore 2 sono liberi di ruotare ma fissi assialmente. La guarnizione gonfiabile 30 è sgonfia e lascia libero un passaggio 40 (tenuta statica anteriore a geometria variabile 30 nella prima posizione, figure 2 e 4) tra la prima estremità assiale della parete sostanzialmente tubolare 20 ed il rotore 2 attraverso il quale può passar© il fluido di lavoro. Il coperchio amovibile 28 chiude a tenuta lo spazio di accesso 21.

Durante il funzionamento, il fluido di lavoro fluisce attraverso l’apertura radiale 29 nel condotto di immissione 26, fluisce assialmente verso il volume di espansione “V” e in questo si espande facendo girare la turbina 1. Mentre la turbina 1 ruota, il fluido di lavoro riempie anche lo spazio di accesso 21 perché è libero di fluire attraverso il passaggio 40.

in una diversa forma realizzativa della tenuta statica anteriore 30, al posto di una guarnizione gonfiabile è impiegata una guarnizione mobile a cassetto che presenta una guarnizione fissa 41 posizionata su un cassetto 42 ed è mossa da uno o più pistoni idraulici 43 alimentati tramite uno o più canali 31.

Per smontare il gruppo meccanico 6 e l’albero 7, dopo aver fermato il rotore 2, sono dapprima estratte le viti 38, in modo da rimuovere il blocco assiale tra la boccola 8 ed il cannotto 5, e l'intero gruppo meccanico 6 (albero 2, dispositivo di tenuta 10, cuscinetti 9, boccola 8, paraolio 11) ed il rotore 2 ad esso solidale (insieme alla vite 14 ed al giunto dentato) sono arretrati assialmente (verso destra in figura 1) fino a portare la superficie posteriore 19 del rotore 2 contro il rilievo anulare 18 e realizzare la tenuta statica posteriore. Questa traslazione allontana la superficie 34 del rotore 2 dalla guarnizione gonfiabile 30 incrementando di poco il passaggio 40 (visibile nel confronto tra le figure 2 e 3). A questo punto, il rotore 2 viene bloccato contro la parete posteriore 4b con appositi dispositivi, non illustrati. Successivamente, il gas viene immesso attraverso i canali 31 nella guarnizione gonfiabile 30 in modo da gonfiarla fino a portare la porzione attiva 33b contro la superficie 34 del rotore 2 andando a chiudere a tenuta il passaggio 40 (tenuta statica anteriore a geometria variabile 30 nella seconda posizione, figura 3). Mentre la guarnizione 30 si gonfia, la porzione attiva 33b trasla in senso assiale percorrendo tutta la distanza che la separava dal rotore 2, per poi poggiarsi e spingere contro il rotore 2 stesso. In tale seconda posizione, la guarnizione gonfiabile 30 sigilla e isola lo spazio di accesso 21 dal volume di espansione “V" e dal resto del circuito.

A questo punto, eventualmente dopo aver estratto (con appositi dispositivi non illustrati) dallo spazio di accesso 21 la limitata quantità di fluido di lavoro ivi presente, il coperchio amovibile 28 è smontato separandolo dalla seconda superficie 23 della parete sostanzialmente tubolare 20.

L’operatore può quindi accedere liberamente alla testa 15 della vite 14, svitarla ed estrarla svincolando l’albero 7 dal rotore 2.

L'intero gruppo meccanico 6 (costituito dalla boccola 8, dall’albero 7, dai cuscinetti 9, dalla tenuta 10 e dal paraolio 11) viene estratto sfilandolo dal cannotto 5 ed allontanandolo dal rotore 2 (da sinistra verso destra in figura 1) mentre il rotore 2 stesso rimane al proprio posto. La tenuta statica posteriore 18, 19 impedisce al di fluido di lavoro di fluire all'interno del cannotto 5, nello spazio lasciato libero dal gruppo meccanico 6. La tenuta statica anteriore a geometria variabile 30 gonfiata impedisce al fluido di lavoro di fluire all’interno dello spazio di manovra 21 sprovvisto del coperchio 28.

Dopo aver eseguito le necessarie operazioni sul gruppo meccanico 6 (ad esempio: verifica, manutenzione, riparazione), quest’ultimo viene reinserito nel cannotto 5 (da destra verso sinistra in figura 1) fino a portare la prima estremità 7' dell’albero 7 contro al rotore 2 (in corrispondenza del giunto autocentrante) mentre il rotore 2 è ancora bloccato contro la parete posteriore 4b. La vite 14 è reinserita attraverso il rotore 2 e nell’albero 7 e serrata. Lo spazio di accesso 21 è richiuso per mezzo del coperchio amovibile 28.

A questo punto la guarnizione gonfiabile 30 viene sgonfiata riportandola nella prima posizione e liberando il passaggio 40.

Il rotore 2 è sbloccato dalla parete posteriore 4b e l’intero gruppo meccanico 6 (albero 2, dispositivo di tenuta 10, cuscinetti 9, boccola 8, paraolio 11) ed il rotore 2 ad esso solidale (insieme alla vite 14 ed al giunto dentato) sono avanzati assialmente (verso sinistra in figura 1) fino a riportare la flangia 39 della boccola 8 contro al cannotto 5. Infine, le viti 38 sono inserite e serrate nei loro alloggiamenti nella flangia 39 e nella boccola 8.

Nella diversa forma realizzativa illustrata nelle figure 4 e 5, le operazioni di smontaggio/rimontaggio sono le stesse sopra descritte tranne per il fatto che mentre la guarnizione 30 si gonfia, la porzione attiva 33b si muove in senso radiale percorrendo tutta la distanza che la separava dalla superficie radialmente esterna 37 dell’appendice 35, per poi poggiarsi e spingere contro detta superficie radialmente esterna 37.

In una diversa forma realizzativa, non illustrata nel suo complesso, la tenuta statica anteriore 30 è fissa mentre quella posteriore 18 è a geometria variabile. Nelle figure 7 e 8 sono rappresentate rispettive varianti realìzzative della tenuta statica posteriore 18 a geometria variabile: una è una guarnizione gonfiabile e l’altra è del tipo a cassetto. Per smontare il gruppo meccanico 6 e l’albero 7, il rotore 2 viene avanzato (al posto che arretrato) per poggiare a tenuta contro la tenuta statica anteriore 30 e la tenuta statica posteriore 18 è movimentata (gonfiata o spostata) per andare a poggiarsi contro il rotore 2.

In una ulteriore diversa forma realizzativa, non illustrata nel suo complesso, sia la tenuta statica anteriore 30 che quella posteriore 18 sono a geometria variabile (come la guarnizione gonfiabile di figura 7 o come quella a cassetto di figura 8). Per smontare il gruppo meccanico 6 e l'albero 7, il rotore 2 rimane assialmente fisso. Le due tenute statiche 30, 18 sono movimentate per poggiarsi a tenuta sui due lati opposti del rotore 2.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Turbina di espansione, comprendente: una cassa (4a, 4b); uno statore (3) integrato o installato nella cassa (4a, 4b) e presentante palette statoriche (3a); un rotore (2) montato nella cassa (4a, 4b), presentante palette rotoriche (2a) ed affacciato allo statore (3), in cui il rotore (2) è girevole attorno ad un rispettivo asse di rotazione (X-X); in cui lo statore (3) ed il rotore (2) delimitano tra loro un volume di espansione (V) per un fluido di lavoro, provvisto di dette palette rotoriche (2) e statoriche (3); un cannotto (5) integrato o installato sulla cassa (4a, 4b); un albero (7) montato girevolmente nel cannotto (5) e rotante attorno all'asse di rotazione (X-X); in cui l'albero (7) è collegato in modo amovìbile al rotore (2) ed è estraibile dal cannotto (5) dalla parte opposta a detto rotore (2); caratterizzata dal fatto di comprendere: dispositivi di collegamento amovibile (14) del rotore (2) all’albero (7) presentanti una porzione di manovra (15) collocata presso una faccia frontale del rotore (2) opposta al cannotto (5) ed affacciata in uno spazio di accesso (21); almeno una tenuta statica anteriore (30) interposta tra il rotore (2) e lo statore (3) e collocata in posizione radialmente interna al volume di espansione (V); in cui la tenuta statica anteriore (30) ed il rotore (2) sono mobili una rispetto all’altro tra una prima posizione, in cui la tenuta statica anteriore (30) lascia libero un passaggio (40) in comunicazione di fluido con il volume di espansione (V), ed una seconda posizione, in cui detta tenuta statica anteriore (30) sigilla detto passaggio (40) ed isola a tenuta il volume di espansione (V) dallo spazio di accesso (21 ) a detta porzione di manovra (15).
2. Turbina secondo la rivendicazione 1 , comprendente una tenuta statica posteriore (18) definita tra il cannotto (5) e/o una parete posteriore (4b) ed il rotore (2); in cui la tenuta statica posteriore (18) ed il rotore (2) sono mobili una rispetto all’altro tra una prima posizione, in cui la tenuta statica posteriore (18) ed il rotore (2) sono reciprocamente distanziati, ed una seconda posizione, in cui il rotore (2) e detta tenuta statica posteriore (18) poggiano uno contro l’altra.
3. Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la tenuta statica anteriore (30) e/o la tenuta statica posteriore (18) è/sono de! tipo a geometria variabile ed è/sono mobile/i rispetto allo statore (3) ed alla cassa (4a, 4b) tra le rispettive prima e seconda posizione.
4. Turbina secondo la rivendicazione 3, in cui la tenuta statica a geometria variabile (18, 30) è mobile assialmente oppure radialmente.
5. Turbina secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui la tenuta statica a geometria variabile (18, 30) è una guarnizione gonfiabile.
6. Turbina secondo la rivendicazione precedente, presentante almeno un canale (31) in comunicazione dì fluido con la guarnizione gonfiabile (18, 30) e con una sorgente (32) dì gas in pressione attivabile su comando.
7. Turbina secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui la guarnizione gonfiabile (18, 30) contiene un gas inerte.
8. Turbina secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente una parete sostanzialmente tubolare (20) delimitante lo spazio di accesso (21); in cui un condotto di immissione (26) dei fluido di lavoro è ricavato in una posizione radialmente esterna a detta parete sostanzialmente tubolare (20).
9. Turbina secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente un coperchio amovibile (28) atto a chiudere a tenuta detto spazio di accesso (21).
10. Metodo per smontare una turbina di espansione secondo con uno o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente: <■>bloccare la rotazione del rotore (2); <«>portare la tenuta statica anteriore (30) ed il rotore (2) nella rispettiva seconda posizione; <■>portare la tenuta statica posteriore (18) ed il rotore (2) nella rispettiva seconda posizione; ‘ rimuovere il coperchio (28); * agire sulla porzione di manovra (15) e rimuovere i dispositivi di collegamento (14); * sfilare l’albero (7) mentre il rotore (2) è bloccato.