ITMI991206A1 - Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad altapressione in turbine a gas - Google Patents

Description

La presente invenzione ha come oggetto un dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas.

Com'è noto, le turbine a gas sono macchine costituite da un compressore e da una turbina ad uno o più stadi, dove tali componenti sono tra loro collegati da un albero rotante e dove tra il compressore e la turbina è prevista una camera di combustione.

Al compressore vierie alimentata aria proveniente dall'ambiente esterno per portarla in pressione.

L'aria in pressione passa attraverso una serie di camere di pre-miscelamento, terminanti con una porzione convergente, altrimenti nota come "shroud", in ognuna delle quali un iniettore alimenta del combustibile che si miscela all'aria per formare una miscela aria - combustibile da bruciare.

Per migliorare le caratteristiche della combustione è, di norma, previsto un elemento che intercetta il flusso di aria proveniente dal compressore e che è dotato di una conformazione complessa, costituita da due insiemi di palette, orientate in senso opposto, il tutto finalizzato a produrre turbolenze nella miscela aria - combustibile.

All'interno della camera di combustione viene immesso il combustibile che viene acceso mediante opportune candele di accensione per produrre la combustione, la quale è finalizzata a provocare un aumento di temperatura e di pressione e quindi di entalpia del gas.

Contemporaneamente, il compressore fornisce aria in pressione che è fatta passare sia attraverso i bruciatori, sia attraverso le camicie della camera di combustione, in modo tale che la suddetta aria in pressione sia a disposizione per alimentare la combustione .

Successivamente, il gas ad alta temperatura ed alta pressione raggiunge, attraverso opportuni condotti, i differenti stadi della turbina, la quale trasforma l'entalpia del gas in energia meccanica disponibile ad un utilizzatore.

Nelle turbine a due stadi, il gas viene trattato nel primo stadio della turbina in condizioni di temperatura e pressione assai elevate ed in essa subisce una prima espansione; mentre nel secondo stadio della turbina esso subisce una seconda espansione, a condìzioni di temperatura e di pressione inferiori alle precedenti.

E' noto inoltre che per ottenere il massimo rendimento da una determinata turbina a gas è necessario che la temperatura del gas sia la più elevata possibile; tuttavia i valori massimi di temperatura raggiungibili nell'impiego della turbina sono limitati dalla resistenza dei materiali impiegati.

Al fine di rendere evidenti i problemi tecnici risolti dalla presente invenzione, nel seguito verrà sommariamente descritto uno statore di uno stadio ad alta pressione di una turbina a gas secondo la tecnica nota.

A valle della camera di combustione, la turbina presenta uno statore ed un rotore di alta pressione, dove lo statore serve per presentare il flusso di gas combusti in condizioni idonee all'ingresso del rotore, ed, in particolare, per dirigerlo in maniera opportuna nei vani delle palette del rotore, evitando che lo stesso vada a colpire direttamente la faccia dorsale o convessa e la faccia ventrale o concava delle palette.

Lo statore è costituito da una serie di palette statoriche, tra ogni coppia delle quali è individuato un corrispondente ugello.

Il gruppo di palette statòriche è conformato ad anello ed è vincolato esternamente alla carcassa della turbina ed internamente ad un corrispondente supporto.

A tal proposito, si osserva che un primo problema tecnico degli statori, in particolare nel caso degli stadi ad alta pressione, è dato dal fatto che lo statore è sottoposto ad elevati carichi di pressione dovuti alla riduzione di pressione del fluido che si espande nei vani statorici.

Inoltre, lo statore è sottoposto ad elevati gradienti di temperatura, dovuti al flusso di gas caldi provenienti dalla camera di combustione ed ai flussi di aria fredda che vengono introdotti all'interno della turbina per raffreddare le parti maggiormente sollecitate dal punto di vista termico.

Proprio a causa di tali elevate temperature, le palette statoriche impiegate nello stadio ad alta pressione delle turbine, devono essere refrigerate e, a tal fine, esse presentano una superficie opportunamente provvista di fori per canali, i quali permettono la circolazione di aria internamente alla paletta statorica stessa.

Un altro problema particolarmente sentito nella tecnica è quello di garantire un ottimale supporto e bloccaggio delle palette statoriche, in particolare nello stadio ad alta pressione.

Inoltre, gli statori tradizionali presentano sistemi di supporto e bloccaggio che non consentono un facile smontaggio, qualora ciò si dovesse rivelare necessario al fine di effettuare operazioni di manutenzione o di sostituzione di una o più palette statoriche usurate o danneggiate.

Un altro problema è dato dal fatto che gli statori sono soggetti alle vibrazioni trasmesse dalle palette statoriche durante il funzionamento della macchina .

Tuttavia, le palette statoriche devono comunque presentare piccole dimensioni, perché i gas ad alta pressione presentano una densità molto elevata; ciò implica che le sezioni di passaggio dei primi stadi devono essere notevolmente inferiori alle sezioni di passaggio degli stadi successivi, quando il gas ha subito una prima espansione.

Scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas particolarmente affidabile.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che presenti una struttura semplice e compatta.

Altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che abbia basso costo e che sia costituito da un ridotto numero di pezzi componenti.

Ancora un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas che consenta un facile montaggio e smontaggio, a seconda delle esigenze, delle palette statoriche per effettuare la loro manutenzione e la loro eventuale sostituzione.

Ulteriore scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che consenta un'ottima resistenza alle vibrazioni che interessano le palette statoriche, impedendo che esse si trasferiscano sugli altri elementi del motore.

Non ultimo scopo dell'invenzione è la realizzazione di un dispositivo che sia sicuro, semplice ed economico .

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas, comprendente una pluralità di gruppi di palette statoriche, associati ad una pluralità di lamine esterne di tenuta per il collegamento di tali gruppi alla camicia esterna della camera di combustione ed associati ad una pluralità di lamine interne di tenuta, per la loro connessione alla camicia interna della camera di combustione, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi di palette statoriche è bloccato ad un anello interno, dove il suddetto anello presenta una prima serie di fori esterni per concretizzare tale bloccaggio ed una seconda serie di fori interni passanti, ricavata su un'estensione interna del suddetto anello, ed impiegata per fissare l'anello stesso alla struttura della turbina a gas.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, ognuno dei gruppi di palette statoriche presenta asole esterne per l'impegno con le lamine esterne di tenuta ed asole interne per l'impegno con le lamine interne di tenuta.

Inoltre, ognuno dei gruppi di palette statoriche è connesso, attraverso le asole esterne alle lamine esterne di tenuta, mediante un primo gruppo di perni ed attraverso le asole interne, alle lamine interne di tenuta, mediante un secondo gruppo di perni.

Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, una porzione di periferia dell'anello presenta una scanalatura circonferenziale, che è in comunicazione con i fori passanti, a loro volta allineati con corrispondenti fori ciechi. Secondo un'ulteriore realizzazione preferita della presente invenzione, i gruppi di palette statoriche presentano internamente piastre dotate di fori, dove tali piastre si inseriscono all'interno della scanalatura circonferenziale, in modo tale che i fori siano in comunicazione con fori passanti per concretizzare il bloccaggio dei gruppi di palette statoriche all'anello mediante perni.

Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, ciascuno dei gruppi di palette statoriche presenta proiezioni che vanno in battuta contro il corpo della turbina a gas.

Secondo ancora un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, l'anello presenta un canale di comunicazione tra l'esterno della camera di combustione e la porzione a valle dei gruppi di palette statoriche, il quale si apre su una porzione frontale dell'anello e presenta una prima porzione, una seconda porzione, avente diametro inferiore alla prima porzione, e dove la prima e la seconda porzione sono tra loro raccordate da una ulteriore porzione troncoconica.

Inoltre, il canale si apre, nella porzione posteriore dell'anello, fronteggiante il suddetto elemento piastriforme, con una porzione terminale troncoconica .

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni allegate alla presente domanda di brevetto.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dall'esame della descrizione che segue e dei disegni annessi, che sono forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, e nei quali:

la figura 1 rappresenta una vista frontale di una porzione di un gruppo di palette statoriche bloccato mediante un dispositivo secondo la presente invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista posteriore di una porzione del gruppo di palette statoriche mostrato in figura 1;

la figura 3 rappresenta una vista secondo la sezione della linea III-III di figura 2;

la figura 4 rappresenta una vista secondo la sezione della linea IV-IV di figura 2;

la figura 5 rappresenta una vista, in sezione secondo la linea V-V di figura 1;

la figura 6 rappresenta una vista posteriore di un gruppo di palette statoriche;

la figura 7 rappresenta una vista frontale di un anello di bloccaggio e supporto, secondo il dispositivo della presente invenzione;

la figura 8 rappresenta una vista secondo la sezione della linea VIII-VIII di figura 7; e

la figura 9 rappresenta una vista secondo la sezione della linea IX-IX di figura 7.

Con particolare riferimento alle figure menzionate, il dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas, secondo la presente invenzione, è indicato globalmente con il riferimento numerico 10.

Il dispositivo 10 comprende una pluralità di gruppi 12 di palette statoriche 13, ognuno dei quali è associato ad una lamina esterna di tenuta 11 con la camicia esterna della camera di combustione della turbina a gas (non rappresentata per semplicità), il tutto per garantire, tramite il loro contatto, che i gas caldi prodotti in camera di combustione fluiscano interamente attraverso le palette statoriche.

Ogni gruppo 12 di palette statoriche 13 è anche associato ad una lamina interna di tenuta 41, per la propria connessione alla camicia interna della camera di combustione gas (non rappresentata per semplicità).

Il funzionamento della lamina interna di tenuta 41 è analogo a quello della lamina esterna di tenuta 11.

Quindi, i gruppi 12 di palette statoriche 13 sono supportati lungo un profilo anulare che individua la sezione di passaggio dei gas e sono compresi tra le lamine esterne di tenuta 11 e le lamine interne di tenuta 41.

Più in dettaglio, ogni gruppo 12 è costituito da una coppia di palette statoriche 13, le quali grazie alla loro reciproca posizione individuano gli ugelli 15 di passaggio gas; inoltre le palette statoriche 13 prevedono, sulla loro superficie, una pluralità di fori di raffreddamento che sono in comunicazione con canali interni di raffreddamento.

Il gruppo 12 di palette statoriche 13 è compreso tra un profilo arcuato esterno 22 ed un profilo arcuato interno 23 ed ognuna delle palette 13 presenta un opportuno profilo alare.

Ogni gruppo 12 di palette statoriche 13 presenta asole esterne 16 per l'impegno con le lamine di tenuta 11 ed asole interne 17 per l'impegno con le lamine interne di tenuta 41.

Per concretizzare la connessione dei gruppi 12 vengono utilizzati perni 18 per le asole esterne 16 e perni 19 per le asole interne 17, come ad esempio visibile nelle figure 4-5.

Tale connessione è, inoltre, perfezionata mediante impiego di molle 20 per i perni 18 e di molle 21 per i perni 19.

I gruppi 12 di palette statoriche 13 sono bloccati internamente mediante un anello 14, visibile in figura 7, il quale presenta una prima serie di fori esterni 29 ed una seconda serie di fori interni 28.

Il foro passante 28, ricavato su un estensione interna 34 dell'anello 14, viene impiegato per fissare l'anello 14 stesso alla struttura della turbina a gas .

Si noti che una porzione di periferia dell'anello 14 presenta una scanalatura circonferenziale 30, che è in comunicazione con i fori passanti 29, i quali a loro volta si trovano allineati con corrispondenti fori ciechi 31.

I gruppi 12 di palette statoriche 13 presentano internamente una serie di piastre 43, a loro volta dotate di fori 33, le quali si inseriscono all'interno della scanalatura circonferenziale 30, in modo tale che i fori 33 siano in comunicazione con i fori passanti 29.

II bloccaggio dei gruppi 12 di palette statoriche 13 all'anello 14 viene effettuato mediante perni 50 che passano attraverso i fori 29 ed i fori 33.

E' presente, inoltre, un incavo circonferenziale 36, associato all'imboccatura dell'anello 14, che è in comunicazione, alle proprie estremità, con i perni 50 inseriti nei diversi fori 33 e 29.

Una ulteriore caratteristica dell'invenzione è data dal fatto che ciascuno dei gruppi 12 di palette statoriche 13 presenta proiezioni 42, le quali vanno in battuta contro il corpo della turbina a gas.

L'anello 14 presenta un canale 26 di comunicazione tra l'esterno della camera di combustione e la porzione a valle dei gruppi 12 di palette statoriche 13, il quale si apre su una porzione frontale dell'anello 14 e presenta una prima porzione 26a, una seconda porzione 26b, avente diametro inferiore alla porzione 26a, mentre le due porzioni 26a e 26b sono tra loro raccordate da una ulteriore porzione troncoconica 26c.

Il canale 26 si apre, nella porzione posteriore dell'anello 14, fronteggiante l'elemento piastriforme 36, con una porzione terminale troncoconica 26d.

Durante il funzionamento della turbina a gas, il flusso di gas ad alta temperatura tende a spingere il gruppo 12 di palette statoriche 13 in direzione assiale verso la zona delle palette rotoriche.

Tuttavia il sistema di bloccaggio descritto, ed in particolare le proiezioni 42, andando in battuta contro il corpo della turbina a gas, tendono a trattenere il gruppo 12 in posizione.

Inoltre il flusso di gas sulle palette statoriche 13 tende a portare in rotazione il gruppo 12, mentre la conformazione degli ugelli 15 convoglia il flusso di gas nella direzione opportuna per far funzionare il rotore della turbina.

Tale tendenza alla rotazione del gruppo 12 è controbilanciata dall'accoppiamento di gruppi 12 con l'anello 14, mediante le piastre 43, che si inseriscono all'interno della scanalatura circonferenziale 30 .

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E' chiaro che numerose varianti possono essere apportate al dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas, oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai princìpi di novità ìnsiti nell'idea inventiva.

E' chiaro infine che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Ing. Barzanò & Zanardo Milano S.p.A.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas, comprendente una pluralità di gruppi (12) di palette statoriche (13), associati ad una pluralità di lamine esterne di tenuta (11), per il collegamento dei suddetti gruppi (12) alla camicia esterna della camera di combustione ed associati ad una pluralità di lamine interne di tenuta (41), per il collegamento dei suddetti gruppi (12) alla camicia interna della camera di combustione, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) è bloccato da un anello interno (14), dove il suddetto anello (14) presenta una prima serie di fori esterni (29) per concretizzare tale bloccaggio ed una seconda serie di fori interni passanti (28), ricavata su un'estensione interna (34) del suddetto anello (14), ed impiegata per fissare l'anello (14) stesso alla struttura della turbina a gas.
2. 2. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) presenta asole esterne (16) per l'impegno con la suddette lamine esterne di tenuta (11) ed asole interne (17) per l'impegno con le suddette lamine interne di tenuta (41).
3. 3. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) è connesso, attraverso le suddette asole esterne (16) alle suddette lamine esterne di tenuta (11), mediante perni (18) ed attraverso le suddette asole interne (17) alle suddette lamine interne di tenuta (41), mediante perni (19).
4. 4 . Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il collegamento alle suddette lamine esterne di tenuta (11) è perfezionata mediante impiego di molle (20) associate ai suddetti perni (18) e il collegamento alle suddette lamine interne di tenuta (41) è perfezionata mediante impiego di molle (21) associate ai suddetti perni (19).
5. 5. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che una porzione di periferia del suddetto anello (14) presenta una scanalatura circonferenziale (30), che è in comunicazione con i suddetti fori passanti (29), a loro volta allineati con corrispondenti fori ciechi (31).
6. 6. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) presentano internamente piastre (43) dotate di fori (33), dove le suddette piastre (33) si inseriscono all'interno della suddetta scanalatura circonferenziale (30), in modo tale che i suddetti fori (33) siano in comunicazione con i suddetti fori passanti (29) per concretizzare il bloccaggio dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) al suddetto anello (14) mediante perni (50).
7. 7. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di presentare un incavo circonferenziale (36), associato all'imboccatura del suddetto anello (14) e che è in comunicazione, alle proprie estremità, con i perni (50) inseriti nei suddetti fori (33) e (29).
8. 8 . Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che ciascuno dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) presenta proiezioni (42) che vanno in battuta contro il corpo della suddetta turbina a gas.
9. 9. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello (14) presenta un canale (26) di comunicazione tra l'esterno della camera di combustione e la porzione a valle dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13), il quale si apre su una porzione frontale del suddetto anello (14) e presenta una prima porzione (26a), una seconda porzione (26b), avente diametro inferiore alla porzione (26a), mentre le due porzioni (26a) e (26b) sono tra loro raccordate da una ulteriore porzione troncoconica (26c).
10. 10. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto canale (26) si apre, nella porzione posteriore dell'anello (14), con una porzione troncoconica (26d).
11. 11. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi (12) di palette statoriche (13) è compreso tra un profilo arcuato esterno (22) ed un profilo arcuato interno (23).
12. 12. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti gruppi (12) è costituito da una coppia di palette statoriche (13), le quali grazie alla loro reciproca posizione individuano gli ugelli (15) di passaggio gas, dove le suddette palette statoriche (13) prevedono, sulla loro superficie, una pluralità di fori di raffreddamento.
13. 13. Dispositivo di supporto e bloccaggio per ugelli di uno stadio ad alta pressione in turbine a gas, come sostanzialmente descritto ed illustrato nei disegni allegati.