ITMI20132124A1

ITMI20132124A1 - Stadio rotorico di turbina assiale con tassello di bloccaggio delle radici delle palette

Info

Publication number: ITMI20132124A1
Application number: IT002124A
Authority: IT
Inventors: Nicolo' Bachschmid; Simone Bistolfi; Stefano Crotti; Emanuel Pesatori
Original assignee: Franco Tosi Meccanica S P A
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-19
Also published as: EP3087253B1; WO2015092584A1; EP3087253A1; CA2926319A1; JP2017500464A; KR20160102964A; US20160281506A1

Description

DESCRIZIONE

dell’invenzione industriale avente per titolo:

“STADIO ROTORICO DI TURBINA ASSIALE CON TASSELLO DI BLOCCAGGIO DELLE RADICI DELLE PALETTE”

La presente invenzione riguarda uno stadio rotorico di una turbina assiale, secondo il preambolo della rivendicazione principale.

Lo stadio rotorico di una turbina a gas o a vapore comprende un albero, atto a ruotare attorno ad un asse principale, sul quale sono disposte una pluralità di palette. Le palette comprendono una radice e una lama, la quale si protende in direzione sostanzialmente radiale. L’albero presenta una cavità anulare atta ad impegnare le radici delle palette, impedendo loro un movimento in direzione radiale e assiale per contrastare la forza centrifuga e la forza del fluido che tenderebbe a spingerle verso valle.

Le radici delle palette nel caso più semplice presentano una forma sostanzialmente a “T” rovesciata con due denti che si estendono in versi opposti lungo la direzione assiale. La cavità anulare, atta ad accogliere le radici delle palette presenta anch’essa una forma a “T” rovesciata con due sottosquadri contrapposti atti ad accogliere i denti delle radici.

In alcune forme costruttive, l’introduzione della radice della paletta nella cavità anulare avviene disponendo la paletta in modo che i denti della radice siano allineati tangenzialmente all’apertura della cavità anulare su un piano normale all’asse principale. La radice viene inserita dentro la cavità anulare e la paletta viene ruotata di 90° attorno alla direzione radiale, in modo che la paletta sia disposta in posizione operativa con i denti della radice inseriti nei sottosquadri della cavità anulare.

Questa forma costruttiva richiede di realizzare radici di dimensioni laterali non superiori all’apertura della cavità anulare. Inoltre l’inserimento dell’ultima paletta richiede che le radici già disposte nella cavità anulare lascino uno spazio sufficiente per inserire e ruotare la radice dell’ultima paletta. Questo implica che tra le palette vi sia un certo gioco, per eliminare il quale vengono introdotti degli spessori.

Un problema di questa soluzione è la forza centrifuga che agisce sulle palette è molto elevata e che le radici sono meno spesse e quindi meno resistenti di quanto potrebbero essere se non vi fosse un gioco tra le palette per la necessità di ruotare anche l’ultima paletta.

Nella forma costruttiva adottata dalla McGinnis, esiste un settore d’introduzione sulla cavità anulare in cui i due sottosquadri della cavità anulare sono interrotti in modo da poter introdurre le radici delle palette nella cavità anulare, senza bisogno di ruotarle attorno alla direzione radiale. Il settore d’introduzione presenta inoltre due emi-cave di fissaggio e la radice dell’ultima paletta, detta paletta di chiusura, presenta altre due emi-cave di fissaggio. Quando tutte le palette meno l’ultima sono state introdotte nella cavità anulare, la paletta di chiusura viene posizionata con la radice dentro la cavità anulare nel settore d’introduzione. Le due emi-cave di fissaggio della radice si trovano in corrispondenza delle due emi-cave di fissaggio dell’albero, formando due cave di fissaggio atte ad accogliere due grani per il fissaggio della paletta di chiusura all’albero. I grani presentano un corpo assial-simmetrico con una pluralità di protuberanze anulari. Le cave di fissaggio presentano allargamenti anulari atti a ricevere dette protuberanze anulari. Il corpo è diviso in due parti su un piano che comprende l’asse di simmetria. Ognuna delle due parti del grano (emigrano) è posizionata in una delle emi-cave di fissaggio dell’albero e della radice della paletta di chiusura. Disposto il tassello 11 dentro la cava di introduzione 8, in modo che gli emi-grani corrispondano, i grani ottenuti da due emi-grani vengono ruotati di 90°, per fissare la paletta all’albero. In genere il grano presenta una testa che viene ribadita per evitare che le vibrazioni facciano ruotare il grano nella cava di fissaggio durante il funzionamento.

Un problema della forma costruttiva McGinnis, è che l’ultima paletta deve essere realizzata in modo diverso dalle altre, con un aumento dei costi.

Un altro problema è che la deformazione plastica della testa del grano dovuta all’operazione di ribaditura e la plasticizzazione del corpo del grano stesso, a causa delle forze centrifughe, può rendere necessario rompere il grano quando si deve smontare la paletta. Questo può comportare un danneggiamento della radice della paletta di chiusura e la sostituzione dell’intera paletta di chiusura.

In una terza forma costruttiva secondo US 6,135,717 su un lato a fianco della cavità anulare, è presente una cava d’introduzione che consente l’introduzione delle radici delle palette nella cavità anulare, senza bisogno di una loro rotazione. Le radici delle palette vengono introdotte nella cavità anulare dalla cava d’introduzione. La radice dell’ultima paletta viene bloccata in posizione operativa da un primo tassello atto ad agganciare i denti della radice e da un secondo tassello atto ad espandersi nella cava d’introduzione grazie a due cunei introdotti a forza nelle rispettive aperture e bloccati da due viti.

Questa forma costruttiva consente di avere palette tutte uguali e di non danneggiare la paletta in caso in cui i cunei debbano essere distrutti nella fase di smontaggio.

Un problema di questa forma costruttiva è che la rimozione dei cunei risulta abbastanza difficoltosa. Un altro problema è che il blocco dell’ultima paletta in posizione operativa richiede un elevato numero di pezzi. Un ulteriore problema è che l’operazione di introduzione a forza dei cunei risulta piuttosto complicata, in quanto i cunei devono deformare notevolmente il secondo tassello, in modo da impedirgli di uscire a causa delle forze centrifughe. Anche le strette tolleranze di lavorazione necessarie possono costituire un problema di questa forma costruttiva.

Un altro problema è che il primo tassello deve essere introdotto nella cava d’introduzione con un movimento prima radiale e successivamente assiale. Questo richiede che l’albero in direzione assiale abbia una dimensione sufficiente ad accogliere una cava d’introduzione che consenta al primo tassello tale movimento assiale. Questo comporta che lo stadio rotorico abbia una dimensione assiale maggiore rispetto ad altre soluzioni realizzative e che la turbina, comprendente diversi stadi rotorici, risulti conseguentemente più lunga in direzione assiale.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di realizzare uno stadio rotorico di una turbina assiale che consenta di superare i problemi evidenziati.

In particolare uno scopo è di ottenere uno stadio rotorico che non necessiti di spessori aggiunti tra le radici delle palette, in modo che le radici possano avere una sezione resistente che sia la massima possibile.

Un altro scopo è di limitare il numero dei pezzi che costituiscono lo stadio rotorico, a parità del numero di palette.

Un ulteriore scopo è di semplificare il montaggio.

Ancora uno scopo è di limitare i costi avendo palette tutte uguali.

Un altro scopo è di avere uno stadio rotorico di dimensioni assiali più contenute rispetto ad alcune delle soluzioni realizzative attuali.

Detti scopi vengono conseguiti da uno stadio rotorico di una turbina assiale 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 una preferita forma realizzativa illustrata negli annessi disegni, in cui:

la Fig. 1 mostra uno stadio rotorico con l’asse principale e una pluralità di palette;

la Fig. 2 mostra una vista prospettica di una paletta con il tassello di chiusura e l’elemento di fissaggio;

la Fig. 3 mostra una vista da direzione radiale della paletta disposta in posizione operativa con il tassello e l’elemento di fissaggio.

la Fig. 4 si riferisce ad una sezione longitudinale indicata con I-I nella Fig. 3, in cui si vede l’albero, la radice della paletta inserita nella cavità anulare, il tassello e l’elemento di fissaggio;

le Figg. 5A, 5B, 5C, 5D e 5E mostrano la sequenza di montaggio dell’ultima paletta;

le Figg. 6A e 6B mostrano un elemento di fissaggio, in questo caso un nottolino, e una corrispondente cava di fissaggio.

L’invenzione riguarda lo stadio rotorico di una turbina assiale per l’espansione di gas o vapore.

Con riferimento alle figure 1 e 2 si vede che lo stadio rotorico comprendente un albero 1, atto a ruotare attorno ad un asse principale A, e una pluralità di palette 2, ognuna delle quali presenta una radice 3 e una lama 6, la quale si protende dalla sommità della radice 3 in direzione sostanzialmente radiale R. La lama può terminare con un apice o con una piattina. Le figure si riferiscono a palette con radice la cui sezione con un piano normale alla direzione radiale R è a losanga, ma l’invenzione riguarda anche palette di diverso tipo, ad esempio palette con radice la cui sezione con un piano normale alla direzione radiale R è rettangolare.

Considerando l’asse A della turbina e una direzione radiale R, la direzione tangenziale è normale al piano comprendente l’asse A e detta direzione radiale R.

La radice 3 presenta una forma a “T” rovesciata, con un primo ed un secondo dente 4 e 5 che si estendono in versi contrapposti in direzione assiale. I due denti possono anche estendersi sia in direzione assiale che in direzione radiale, come nel caso con sezione a losanga rappresentato in Fig. 3.

La radice 3 può presentare due protuberanze d’irrigidimento 19 che si estendono in versi contrapposti in direzione assiale. Tali protuberanze d’irrigidimento 19 servono a dare maggiore rigidezza flessionale alla paletta.

L’albero 1 presenta una cavità anulare 7 che si estende attorno all’asse principale A e presenta una forma a “T” rovesciata, che forma un primo ed un secondo sottosquadro 9 e 10 contrapposti atti ad accogliere rispettivamente il primo ed il secondo dente 4 e 5, impegnando le radici 3 delle palette 2 nella cavità anulare 7.

Con riferimento alle figure 5 si vede che l’albero 1 presenta anche una cava d’introduzione 8, che si estende lateralmente dalla cavità anulare 7 e serve all’introduzione delle radici 3 delle palette 2 nella cavità anulare 7.

Il secondo sottosquadro 10 della cavità anulare 7 è infatti interrotto in corrispondenza della cava d’introduzione 8. Le radici delle palette vengono inserite una ad una nella cava d’introduzione 8 con movimento radiale, spostate nella cavità anulare 7 con un movimento che ha una componente assiale, e fatte scorrere in direzione tangenziale all’interno della cavità anulare 7 con i due denti 4 e 5 contrapposti inseriti nei due sottosquadri 9 e 10 contrapposti, impegnando le radici 3 delle palette nella cavità anulare 7.

Al momento dell’inserimento dell’ultima paletta, le radici delle altre palette occupano tutta la cavità anulare ad eccezione della zona in cui il secondo sottosquadro 10 è interrotto e da cui si diparte la cava d’introduzione 8. La radice dell’ultima paletta viene quindi inserita nella cava d’introduzione 8 e spostata nella cavità anulare 7, impegnano solo il primo dente 4 nel primo sottosquadro 9.

Al fine di vincolare anche la radice 3 dell’ultima paletta in posizione operativa nella cavità anulare 7, lo stadio rotorico comprende un tassello 11 atto ad essere inserito in posizione operative nella cava d’introduzione 8 con un movimento esclusivamente radiale. Detto tassello comprende un corpo principale 20 e una protuberanza d’aggancio 21 in modo da presentare, quando disposto in posizione operativa nella cava d’introduzione (8), una sezione longitudinale sostanzialmente a “L”.

Quando il tassello 11 è inserito nella cava d’introduzione 8 in posizione operativa, la protuberanza d’aggancio 21 forma la continuazione del secondo sottosquadro 10, atto ad accogliere il secondo dente (5) della radice (3), impedendone il movimento radiale.

Tale tassello 11 nel suo complesso è atto a impedire un movimento radiale e assiale della radice della paletta che si trova in corrispondenza della cava d’introduzione.

L’albero 1 presenta una prima emi-cava di fissaggio 12A e il tassello 11 presenta una seconda emi-cava di fissaggio 12B in posizione tale che quando il tassello 11 è inserito nella cava d’introduzione 8 le due emi-cave di fissaggio 12A e 12B si trovano affacciate una all’altra formando un cava di fissaggio 12 ricavata in parte nell’albero 1 e in parte nel tassello 11.

Lo stadio rotorico comprende inoltre un elemento di fissaggio 13 atto ad essere introdotto in detta cava di fissaggio 12 e a bloccare il tassello 11 nella cava d’introduzione 8, il tassello 11 bloccando a sua volta la radice della paletta corrispondente all’interno della cavità anulare. La cava di fissaggio 12 presenta almeno un allargamento 17 più vicino all’asse principale A e un restringimento più lontano dall’asse principale A, che forma una strettoia o un collo 18.

L’elemento di fissaggio 13 presenta una protuberanza 16 atta ad essere inserita nell’allargamento 17 della cava di fissaggio 12 e sufficientemente grande da non consentirne il passaggio attraverso il collo 18. L’elemento di fissaggio 13 può comprendere un rivetto, inserito nella cava di fissaggio 12 attraverso il collo più stretto e poi fatto espandere dentro l’allargamento.

Nella forma realizzativa preferita la cava di fissaggio 12 ha una forma assialsimmetrica con allargamenti anulari 17 che si alternano a restringimenti anulari i quali formano altrettanti colli 18.

L’elemento di fissaggio 13 comprende preferibilmente una testa 14 e un corpo 15. Il corpo 15 presenta una forma assialsimmetrica attorno ad un asse di simmetria ed è atto a essere inserito nella cava di fissaggio 12. L’elemento di fissaggio 13 può ruotare dentro la cava di fissaggio 12.

L’elemento di fissaggio 13 è diviso in due parti separate, dette primo e secondo emi-elemento di fissaggio 13A e 13B, da un piano che attraversa il corpo 15 e comprende l’asse di simmetria del corpo 15 stesso.

L’elemento di fissaggio 13 comprende sul corpo una o più protuberanze anulari 16, atte ad inserirsi negli allargamenti anulari 17 all’interno della cava di fissaggio 12 e ad essere bloccate dai colli 18 della cava di fissaggio 12, in modo da impedire uno sfilamento dell’elemento di fissaggio 13 in direzione radiale R.

Quando il tassello 11 è disposto dentro la cava d’introduzione 8 con le due parti 13A e 13B dell’elemento di fissaggio 13 nelle due emi-cave di fissaggio 12A e 12B, per bloccare l’elemento di fissaggio 13 nella cava di fissaggio 12 l’elemento di fissaggio 13 viene ruotato attorno al suo asse di simmetria, in modo che le due parti 13A e 13B di cui è composto si dispongano trasversalmente alle due emi-cave che formano la cava di fissaggio 13, impedendo un movimento in direzione radiale R del tassello 11.

Per ottenere una maggior riduzione della dimensione assiale dello stadio rotorico, è possibile che siano presenti una o due cave di fissaggio 12 disposte a lato del tassello 11, in modo tale che una retta, che si diparte in direzione tangenziale T da un qualsiasi punto della cava di fissaggio 12, intersechi il tassello 11.

Il montaggio delle palette sull’albero avviene come rappresentato in Fig. 5.

Con riferimento alla Fig. 5A la radice 3 della paletta 2 viene introdotta nella cava d’introduzione 8 mediante un movimento in direzione radiale.

In Fig. 5B si vede che la paletta 2 viene spostata in direzione assiale facendo entrare la radice 3 della paletta 2 dentro la cavità anulare in modo che il primo dente 4 si inserisca nel primo sottosquadro 9.

Le radici 3 delle palette 2 vengono poi fatte scorrere dentro la cavità anulare 7.

La radice dell’ultima paletta rimane in corrispondenza della cava d’introduzione poiché il resto della cavità anulare è completamente occupato dalle radici delle altre palette.

In Fig. 5C si vede che il primo emi-elemento di fissaggio 13A viene inserito nella prima emi-cava di fissaggio 12A presente nell’albero 1.

In Fig. 5D si vede che il secondo emi-elemento di fissaggio 13B viene inserito nella seconda emicava di fissaggio 12B presente nel tassello 11.

In Fig. 5E si vede che il tassello 11 con il secondo emi-elemento di fissaggio 13B viene inserito nella cava d’introduzione 8 con un movimento radiale, in modo che le due emi-cave di fissaggio risultino affacciate a formare una cava di fissaggio ricavata parzialmente nell’albero 1 e parzialmente nel tassello 11. In questo modo anche il primo e il secondo emi-elemento di fissaggio 13A e 13B risultano affacciati a formare un elemento di fissaggio 13 inserito nella cava di fissaggio 12.

L’elemento di fissaggio 13 viene poi ruotato di 90° in modo da impedire l’estrazione del tassello 11 dalla cava d’introduzione 8.

La testa dell’elemento di fissaggio viene ribadita facendole assumere una deformazione plastica, in modo che l’elemento di fissaggio 13 non possa ruotare spontaneamente durante il funzionamento ad esempio a causa delle vibrazioni.

In fase di smontaggio l’elemento di fissaggio 13 viene ruotato a forza in modo da consentire l’estrazione del tassello 11 dalla cava d’introduzione 8 e delle palette dalla cavità anulare.

Tale operazione può comportare il danneggiamento o la distruzione dell’elemento di fissaggio 13 e anche il danneggiamento del tassello 11, che in questo caso dovranno essere sostituiti. Tale operazione non può invece provocare il danneggiamento della paletta 2, che risulta separata dall’elemento di fissaggio 13, sul quale si deve agire per liberare il tassello 11 e le palette 2.

L’elemento di fissaggio può essere un grano, come in Fig. 2, con solo un corpo dotato di protuberanze anulari e diviso in due parti oppure può essere un nottolino, come in Fig. 6A e 6B con un corpo 15 diviso in due parti dotato di protuberanze anulari ed una testa 14 fatta di un pezzo unico.

L’elemento di fissaggio potrebbe anche essere un rivetto, che deve essere distrutto in fase di smontaggio.

La cava di fissaggio 12 può essere divisa in due emi-cave uguali o anche in due emi-cave di diverse dimensioni.

La radice della paletta potrebbe avere anche un solo dente e la cavità anulare potrebbe avere un solo sottosquadro, il tassello 11 avendo in questo caso sostanzialmente una forma cilindrica, ad esempio un parallelepipedo (cilindro a direttrice rettangolare) con un corpo principale e senza protuberanza di aggancio.

Un primo vantaggio dello stadio rotorico secondo l’invenzione è di essere costituito da un limitato numero di pezzi e di consentire un facile montaggio e smontaggio delle palette rotoriche.

Un secondo vantaggio è che essendo il tassello 11 atto ad essere inserito in posizione operativa con un movimento esclusivamente radiale, lo stadio rotorico risulta più corto in direzione assiale e la turbina più compatta.

Un terzo vantaggio è che tutte le palette sono realizzate nello stesso modo, senza che vi sia una paletta di chiusura diversa. La paletta di chiusura può eventualmente presentare un’asportazione parziale o totale di una delle protuberanze d’irrigidimento 19.

Un quarto vantaggio è che le radici delle palette secondo l’invenzione non necessitano di una un gioco tra loro e possono presentare quindi maggiori dimensioni in modo da essere più resistenti.

Un quinto vantaggio secondo l’invenzione è che nella fase di smontaggio la paletta non viene danneggiata, anche nel caso in cui l’elemento di fissaggio 13 debba essere distrutto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Stadio rotorico di una turbina assiale per l’espansione di gas o vapore comprendente un albero (1), atto a ruotare attorno ad un asse principale (A), e una pluralità di palette (2), ognuna delle quali presenta una radice (3), con almeno un primo dente (4) che si protende in direzione assiale, e una lama (6), che si protende dalla sommità della radice (3) in direzione sostanzialmente radiale (R), l’albero (1) presentando una cavità anulare (7), che si estende attorno all’asse principale (A) e che comprende almeno un primo sottosquadro (9) atto ad accogliere il primo dente (4), detto albero (1) comprendendo inoltre una cava d’introduzione (8), che si estende lateralmente dalla cavità anulare (7), la cavità anulare essendo atta ad impegnare le radici (3) delle palette (2) e la cava d’introduzione (8) essendo atta a consentire l’inserimento delle radici (3) delle palette (2) nella cavità anulare (7), detto stadio rotorico comprendendo inoltre un tassello (11) atto ad essere inserito nella cava d’introduzione (8) per vincolare le radici (3) delle palette in posizione operativa nella cavità anulare (7), caratterizzato dal fatto che detto tassello (11) è atto ad essere inserito in posizione operativa nella cava d’introduzione (8) con un movimento esclusivamente radiale.
2. Stadio rotorico di una turbina assiale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che la radice (3) di ogni paletta (2) comprende un secondo dente (5), che si diparte in direzione assiale e in verso opposto al primo dente (4), la cavità anulare (7) presentando un secondo sottosquadro (10) contrapposto al primo sottosquadro (9), ognuno dei due sottosquadri (9, 10) essendo atto a ricevere uno tra il primo e il secondo dente (4, 5), la cava d’introduzione (8) interrompendo il secondo sottosquadro (10), detto tassello (11) comprendendo un corpo principale (20) ed una protuberanza d’aggancio (21), la quale, quando il tassello (11) è disposto nella cava d’introduzione in posizione operativa, completa il secondo sottosquadro (10) in modo atto ad accogliere il secondo dente (5) della radice (3), impedendone il movimento radiale.
3. Stadio rotorico di una turbina assiale secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto tassello (11) disposto in posizione operativa nella cava d’introduzione (8), presenta una sezione longitudinale sostanzialmente a “L”.
4. Stadio rotorico di una turbina assiale secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto tassello (11) forma con l’albero (1) una cava di fissaggio (12) ricavata in parte nell’albero (1) e in parte nel tassello (11), detto stadio rotorico comprendendo inoltre un elemento di fissaggio (13) atto ad essere introdotto in detta cava di fissaggio (12) e a bloccare il tassello (11) nella cava d’introduzione (8).
5. Stadio rotorico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto elemento di fissaggio (13) comprende almeno due parti separate (13A, 13B).
6. Stadio rotorico secondo le rivendicazioni 4 o 5, caratterizzato dal fatto che detta cava di fissaggio (12) presenta una forma assialsimmetrica, con almeno un allargamento anulare (17) ed un collo (18), in modo tale che l’elemento di fissaggio (13) possa ruotare dentro la cava di fissaggio (12).
7. Stadio rotorico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto elemento di fissaggio (13) comprende almeno un corpo (15) con almeno una protuberanza anulare di forma assialsimmetrica, atto a ruotare attorno al suo asse quando inserito nella cava di fissaggio (12).
8. Stadio rotorico secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che il corpo (15) dell’elemento di fissaggio (13) è diviso in due parti lungo un piano che comprende il suo asse.
9. Stadio rotorico di una turbina assiale secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che le radici (3) delle palette (2) presentano una sezione con un piano normale alla direzione radiale (R) di forma sostanzialmente a losanga.