ITTO20070729A1

ITTO20070729A1 - Turbomacchina a bassa usura e con rilevamento diretto della forza assiale agente sull'albero

Info

Publication number: ITTO20070729A1
Application number: IT000729A
Authority: IT
Inventors: Werner Bosen
Original assignee: Atlas Copco Energas
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2008-04-21
Also published as: FR2907495A1; FR2907495B1; JP4863962B2; US20080095610A1; US8113798B2; DE102006049516B3; JP2008101621A

Description

DESCRIZIONE

Del Brevetto per Invenzione Industriale

L'invenzione si riferisce ad una turbomacchina avente una carcassa ed un rotore, montato radialmente ed assialmente nella carcassa, il quale rotore presenta un albero ed almeno una girante fissata all'albero. Senza alcuna restrizione, la turbomacchina può essere strutturata sotto forma di una macchina a flusso a funzionamento rapido con flusso passante assiale o radiale, e serve per il trasporto, l'espansione e/o la compressione di un mezzo.

Una turbomacchina strutturata sotto forma di turbocompressore, avente le caratteristiche descritte inizialmente, è nota dal documento DE 10003 018 A1, in cui il rotore è formato da un albero e da una girante del turbocompressore disposta su un'estremità dell'albero, in modo aggettante. L'albero, che può essere azionato mediante un meccanismo a ingranaggi, è montato nella carcassa su cuscinetti a scorrimento radiale. Per la guida assiale dell'albero, sono previsti semplici anelli di scorrimento sull'albero su entrambi i lati di un pignone a meccanismo ad ingranaggi dell'albero, i quali anelli, insieme a superfici anulari di un ingranaggio conduttore, agiscono da limitatori di spinta assiale. Per compensare le forze che agiscono sull'albero nella direzione assiale, all'estremità dell'albero che si trova opposta alla girante, è prevista una camera di pressione, per cui la pressione che vi regna esercita una forza che agisce sull'albero nella direzione assiale. Per raggiungere nel modo più completo possibile una compensazione delle forze assiali che agiscono sull'albero, la pressione nella camera di pressione viene regolata in funzione della prepressione del turbocompressore. Poiché la determinazione indiretta della forza assiale dalla pre-pressione prevalente è soggetta ad un certo grado di incertezza, può verificarsi una usura per attrito aumentata della guida assiale, in quanto tipicamente non è adatta ad assorbire grandi forze assiali. Inoltre, i rapporti tra pre-pressione e forza assiale risultante devono essere determinati per ogni tipo di macchina, in modo complicato, in quanto dipendono enormemente dalle condizioni progettuali della turbomacchina. Infine, i cambiamenti rapidi allo stato operativo non possono nemmeno essere compensati, a causa dell'inerzia del sistema, e possono portare alla distruzione della guida assiale formata dagli anelli a scorrimento.

Il riferimento DE10138056A1 riguarda una turbomacchina avente uno stadio di turbina di espansione ed uno stadio di turbocompressore. Il rotore è formato da una girante dello stadio di turbina di espansione, una girante dello stadio di turbocompressore ed un albero per cui le giranti sono disposte in modo aggettante su una estremità dell'albero, in ogni esempio, e tra loro può verificarsi un flusso radiale. L'albero è montato nella carcassa su cuscinetti a rulli, per cui un dispositivo di misura della forza è disposto tra un anello di cuscinetto dì un cuscinetto a rulli e una superficie di contatto assegnata della carcassa. Per compensare le forza che agiscono sui cuscinetti a rulli nella direzione assiale, una camera di pressione chiusa a tenuta è formata tra la parte posteriore della girante e la superficie della carcassa adiacente, almeno sulla parte posteriore di una delle giranti, per cui la pressione nella camera di pressione è regolata in funzione del valore di misura del dispositivo di misura delle forze, in modo da compensare le forze assiali che agiscono sull'albero. Il montaggio del rotore a rotazione rapida della turbomacchina richiede un orientamento allineato con precisione e quindi complicato dei cuscinetti a rulli nella carcassa, per cui, in particolare, deve anche essere presa in considerazione l'espansione della carcassa in caso di variazioni di temperatura o di gradienti di temperatura durante il funzionamento della turbomacchina. Mentre i cuscinetti a rulli illustrati sono adatti ad assorbire grandi forze nella direzione assiale, persino sollecitazioni assiali comparativamente leggere possono già portare alla distruzione dei cuscinetti a rulli.

Un compressore a singolo stadio è descritto nel riferimento US 5, 741, 116, il cui albero è collegato ad una girante su una estremità. Inoltre, due anelli di cuscinetto nonché due cuscinetti a segmenti inclinati assegnati agli anelli di cuscinetto sono disposti sull'albero. I due cuscinetti a segmenti inclinati collaborano con una superficie di contatto assegnata, in ciascun esempio. Inoltre, due elementi a molla sono disposti tra le due superfici di contatto e la sede del compressore, intorno all'albero. Forze assiali che agiscono in modo non uniforme sulla girante vengono trasferite agli anelli di cuscinetto tramite l'albero, e trasmesse ai cuscinetti a segmenti inclinati. I cuscinetti a segmenti inclinati trasmettono queste forze assiali alle superfici di contatto da cui vengono trasferite agli elementi a molla. Gli elementi a molla trasmettono le forze assiali alla carcassa del compressore, in cui essi vengono deformati assialmente in proporzione alla forza che agisce sugli stessi. Se un anello di cuscinetto è sottoposto ad una sollecitazione eccessiva, l'elemento a molla assegnato a questo anello del cuscinetto viene pertanto deformato più dell'altro, cosicché il carico viene spostato sul secondo anello di cuscinetto.

Il riferimento US 4,578,018 si riferisce ad una turbina a gas, avente un dispositivo per bilanciare una pressione assiale non uniforme che agisce sul rotore della turbina. Durante il funzionamento il rotore è esposto a forze che si impegnano assialmente, il che si verifica in seguito alle forze statiche dinamiche sui vari componenti del rotore. La pressione assiale viene trasferita alla sede di cuscinetto e agli elementi del telaio della macchina mediante il rotore e una disposizione di cuscinetti a scorrimento assiale. A questo proposito, la quantità di pressione assiale può essere registrata da un dispositivo di misura dell'espansione fissato alla sede di cuscinetto. Il segnale di questo dispositivo di misura dell'espansione è amplificato e trasmesso ad un regolatore che regola in modo automatico la pressione di un fluido idraulico che viene fatto passare all'interno di una camera di pressione dietro il rotore ed è così in grado di bilanciare la pressione assiale che agisce sul rotore .

Considerando questo sfondo, l'invenzione si basa sul compito di indicare una turbomacchina avente le caratteristiche descritte inizialmente, che abbia un supporto che sia basso in termini di usura per attrito, e che consenta una determinazione diretta della forza assiale che agisce sull'albero.

Questo compito è risolto, secondo l'invenzione, in quanto due cuscinetti a segmenti inclinati aventi segmenti inclinati, i quali cuscinetti agiscono in direzioni opposte, sono previsti per un montaggio assiale del rotore, interagiscono con una superficie di contatto assegnata dell'albero, in ciascun esempio, per cui almeno uno dei segmenti inclinati di ciascun cuscinetto a segmenti inclinati presenta un dispositivo di misura della forza per il rilevamento diretto della forza assiale che agisce sul segmento inclinato assegnato e per cui i dispositivi di misura di forza sono collegati ad un dispositivo di controllo elettronico.

Il rilevamento della forza assiale (la deformazione di taglio assiale) che agisce sul rotore della turbomacchina è un prerequisito necessario per la regolazione automatica di una variabile che compensa la forza assiale. Così, ad esempio, una camera di pressione chiusa a tenuta può essere formata tra una superficie di rotore e una superficie di carcassa assegnata, per cui la camera di pressione è collegata ad una condotta dell'alta pressione e ad una uscita di gas mediante una condotta di alimentazione e una valvola di regolazione della pressione controllata dal dispositivo di controllo, e per cui la pressione p che regna nella camera di pressione esercita una forza che agisce sul rotore nella direzione assiale. Per compensare la forza assiale che agisce sul rotore, la pressione p che regna nella camera di pressione è aumentata o ridotta in funzione della direzione della spinta di asse che viene instaurata, usando la valvola di regolazione.

Per la tenuta della camera di pressione, non sono posti requisiti particolarmente elevati all'interno della portata dell'invenzione. A questo riguardo, se un cambio di pressione viene prodotto mediante impatto della camera di pressione con un mezzo di pressione oppure lasciando fuoriuscire il mezzo di pressione dalla camera di pressione, è sufficiente utilizzare la valvola di regolazione della pressione, il quale cambio di pressione è adatto per compensare la forza assiale che agisce sul rotore. Così, per esempio, semplici tenute a labirinto possono essere previste tra il rotore e la carcassa per chiudere a tenuta la camera di pressione. Nell'ambito dell'invenzione, la condotta di alta pressione può essere collegata ad una regione di alta pressione nella regione di avanzamento o uscita di uno stadio di pressione della turbomacchina, per cui il mezzo di lavoro della turbomacchina è anche impiegato come mezzo di pressione. Di conseguenza l'uscita del gas può anche essere collegata ad una regione della turbomacchina a bassa pressione.

In una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, si prevede che almeno una girante sia disposta su un'estremità dell'albero, in modo aggettante, e che la camera di pressione sia formata tra la parte posteriore della girante come la superficie di rotore e la superficie di carcassa adiacente, per cui nell'ambito di questa forma di realizzazione, la camera di pressione è preferibilmente delimitata e chiusa a tenuta da un labirinto di girante tra la parte posteriore della girante e la carcassa, da una parte, e un labirinto di albero tra l'albero e la carcassa dall'altra parte. Se una girante disposta in modo aggettante è prevista su entrambe le estremità dell'albero, in un'altra forma di realizzazione, camere di pressione corrispondenti con la valvola di regolazione di pressione assegnata, in ogni esempio, possono essere previste su entrambe le giranti, senza limitazioni, per cui la pressione nelle camere di pressione è regolata in funzione dei valori di misura determinati con i dispositivi di misura dì forza.

Senza limitazione, la camera di pressione o anche diverse camere di pressione possono essere disposte in un segmento centrale dell'albero, ad esempio nella regione dei cuscinetti a segmenti inclinati o su una delle estremità dell'albero purché sulla corrispondente estremità dell'albero non sia prevista nessuna girante. Se si prevedono diverse camere di pressione queste possono essere disposte separate spazialmente una dall'altra o anche direttamente adiacenti, separate da una tenuta, ad esempio una tenuta a labirinto, senza limitazioni.

Il rilevamento diretto della forza assiale che agisce sul segmento inclinato assegnato al dispositivo di misura di forza da cui la forza assiale totale in atto risulta dalla moltiplicazione per il numero di segmenti inclinati, un sovraccarico di cuscinetto assiale che sta per verificarsi e non può essere completamente compensato può essere riconosciuto in tempo per cui il funzionamento della turbomacchina può essere interrotto mediante il dispositivo di controllo elettronico. Nel caso di turbomacchine, grandi variazioni di pressione e pertanto importanti cambiamenti della forza assiale sul rotore possono verificarsi in un cosiddetto intervallo di limite pompa, se il flusso del mezzo trasportato nella turbomacchina si separa bruscamente nelle pale di girante di una girante. Secondo l'invenzione questi stati operativi critici possono essere determinati mediante rilevamenti diretti della forza assiale per cui, allora, la turbomacchina può essere portata in un intervallo operativo più stabile o spenta tramite interventi di regolazione.

Cuscinetti a segmenti inclinati sono noti generalmente dalla pratica e sono descritti ad esempio in Dubbel, Taschenbuch fur den Maschinenbau [Pocketbook of mechanical engineering], 21° edizione, 2005, pagg. da G 100 fino a G 102. I cuscinetti a segmenti inclinati hanno tipicamente tra quattro e dodici singoli segmenti inclinati che sono disposti intorno alla circonferenza del cuscinetto a segmenti inclinati. I singoli segmenti inclinati sono supportati nella direzione di rotazione cosicché possono spostarsi per inclinarsi mediante un punto di supporto e un mezzo lubrificante viene applicato agli stessi. A causa del movimento relativo tra i segmenti inclinati, del cuscinetto a segmenti inclinati la superficie di contatto assegnata e il mezzo lubrificante presente nell'intercapedine che si trova fra loro, si verifica una lubrificazione idrodinamica per cui i singoli segmenti inclinati si trovano in una forma a cuneo, obliqui, a causa delle condizioni del flusso. Secondo l'invenzione, i due cuscinetti a segmenti inclinati che agiscono in direzioni opposte, hanno almeno un segmento inclinato avente un dispositivo di misura di forza, in ogni esempio. La direzione e la quantità di forza assiale che è in atto, in totale, possono essere determinate da un confronto dei due valori di forza determinati dal dispositivo di controllo indipendente dalla velocità di rotazione del rotore e dalla precisa configurazione dei dispositivi di misura di forza direttamente e con grandissima accuratezza.

L'ulteriore configurazione progettuale può essere selezionata liberamente ad un livello elevato entro la portata dell'invenzione. Così, la presa di moto e la presa di forza del rotore possono avvenire mediante una o più giranti di una turbina di espansione, un meccanismo ad ingranaggi dentati, un motore elettrico integrato, un innesto flessibile o una combinazione di questi mezzi di presa di forza per cui, secondo la presente invenzione, è prevista almeno una girante come presa di forza e/o come presa di moto. Preferibilmente è prevista una girante sulle estremità opposte dell'albero, in ogni esempio, per cui una delle giranti assegnata ad uno stadio di turbocompressore ed azionata tramite l'albero da un'altra girante assegnata ad uno stadio di turbina in espansione. Per alimentare potenza aggiuntiva alla turbomacchina o per derivarla da questa, nell'ambito della presente configurazione, un connettore con meccanismo a ingranaggi o una macchina elettrica integrata possono essere previsti facoltativamente.

Di seguito, l'invenzione verrà spiegata dettagliatamente facendo riferimento ad un disegno che illustra una forma di realizzazione semplicemente a titolo esemplificativo. Il disegno illustra schematicamente :

la figura 1: una turbomacchina secondo l'invenzione

la figura 2: una forma di realizzazione alternativa di una turbomacchina secondo l'invenzione .

La figura 1 illustra una turbomacchina 1 avente una carcassa 2 e un rotore 3 montato nella carcassa 2, che presenta un albero 4 e giranti 5, 5' disposte sulle estremità dell'albero 4, in modo aggettante, per cui una girante 5 è assegnata ad uno stadio di turbina di espansione 6, e l'altra girante 5' è assegnata ad uno stadio di turbocompressore 7. Il rotore 3 è mantenuto nella carcassa 2, con l'albero 4 su due cuscinetti radiali 8 e due cuscinetti 9, 9' a segmenti inclinati idrodinamici, che agiscono in direzioni opposte, come cuscinetti assiali, per cui i cuscinetti a segmenti inclinati 9, 9' interagiscono con una superficie di contatto assegnata 10, 10' dell'albero 4, in ogni caso. Almeno uno dei segmenti inclinati 11 di ciascun cuscinetto a segmenti inclinato 9, 9' presenta un dispositivo di misura di forza 12, 12' per il rilevamento diretto della forza assiale che agisce sul segmento inclinato assegnato 11, per cui il dispositivo di misura di forza 12, 12' è collegato ad un dispositivo di controllo elettronico 13. Il valore di misura determinato dal dispositivo di misura di forza 12, 12' riproduce in via proporzionale la forza che agisce sul cuscinetto secondo il numero totale di segmenti inclinati 11 per ogni cuscinetto a segmenti inclinati 9, 9'. La direzione e la quantità della forza assiale totale che agisce sul rotore 3 possono essere determinati con precisione a partire da un confronto dei due valori di misura per i due cuscinetti a segmenti inclinati 9, 9'. Se la direzione della forza assiale totale punta verso lo stadio di turbina di espansione 6, il dispositivo di misura di forza corrispondente 12 subirà un impatto più forte; se la forza assiale che agisce sul rotore 3 inverte la sua direzione verso lo stadio di turbocompressore 7 l'altro dispositivo di misura di forza 12' subirà conseguentemente un impatto più forte. Allo scopo di minimizzare la forza assiale che è in atto, una camera di pressione 16 è formata tra la parte posteriore 14 della girante 5 dello stadio di turbina in espansione 6 e la superficie di carcassa adiacente 15, per cui la camera di pressione 16 è collegata ad una condotta ad alta pressione 19 e ad un'uscita di gas 20 tramite una condotta di alimentazione 17 e una valvola di regolazione di pressione 18 controllata dal dispositivo di controllo 13, per cui la pressione p che regna nella camera di pressione 16 esercita una forza che agisce nella direzione assiale sul rotore 3. La camera di pressione 16 è delimitata e chiusa a tenuta da un labirinto di girante 21 tra la parte posteriore 14 di girante e la carcassa 2 dall'altra parte e un labirinto 22 dell'albero tra l'albero 4 e la carcassa 2 dall'altra parte. Per minimizzare la forza assiale che agisce sul rotore 3, la pressione p nella camera di pressione 16 è aumentata o ridotta in funzione dei valori di misura dei dispositivi di misura di forza 12, 12' tramite la valvola di regolazione della pressione 18. In alternativa o in aggiunta, una camera di pressione corrispondente può anche essere prevista nella regione dello stadio di turbocompressore 7. Per poter fornire potenza a o togliere la potenza dalla turbomacchina 1, che è configurata come un turboespansore, come necessario, può essere prevista una macchina elettrica 23 che è configurata facoltativamente come motore o come generatore .

La figura 2 illustra un'altra forma di realizzazione di una turbomacchina 1 strutturata sotto forma di turbocompressore, per cui il rotore 3 presenta soltanto una girante 5'' di uno stadio di compressore 24 disposto in modo aggettante. Una camera di pressione chiusa a tenuta 16' è disposta sull'estremità di albero 25 dell'albero 4 che si trova opposto alla girante 5'', la quale camera agisce sull'estremità di albero assegnata 25 ed è collegata ad una valvola di regolazione della pressione 18, come si può vedere anche in figura 1. La regolazione della valvola di regolazione della pressione 18 avviene come descritto sopra tramite il dispositivo di controllo elettronico 13 a cui sono anche collegati i dispositivi di misura di forza 12, 12' secondo l'invenzione, per il rilevamento diretto della forza assiale. Per una visualizzazione dei parametri operativi, un elemento di visualizzazione A è collegato al dispositivo di controllo 13, come nella forma di realizzazione secondo la figura 1. Il rotore 3 presenta un innesto 26 di un sistema a denti di ingranaggi ed è azionato da un meccanismo a ingranaggi 27. A parte una macchina elettrica 23, come illustrato in figura 1, e un meccanismo a ingranaggi 27 secondo la figura 2, un collegamento ad un giunto flessibile può anche essere previsto come presa di forza o presa di moto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Turbomacchina (1) comprendente una carcassa (2) e un rotore (3) montato radialmente e assialmente nella carcassa (2), il quale rotore presenta un albero (4) e almeno una girante (5, 5', 5'') fissata all'albero (4), caratterizzata dal fatto che due cuscinetti a segmenti inclinati (9, 9') aventi segmenti inclinati (11), i quali cuscinetti agiscono in direzioni opposte, sono previsti per un montaggio assiale del rotore (3), che interagiscono con una superficie di contatto assegnata (10, 10') dell'albero (4), in ciascun esempio, e che almeno uno dei segmenti inclinati (11) di ciascun cuscinetto a segmenti inclinati (9, 9') presenta un dispositivo di misura di forza (12, 12') per il rilevamento diretto della forza assiale che agisce sul segmento inclinato assegnato (11), per cui il dispositivo di misura di forza (12, 12') è collegato con un dispositivo di controllo elettronico (13).
2. Turbomacchina (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che una camera di pressione chiusa a tenuta (16, 16') è formata tra una superficie di rotore e una superficie di carcassa assegnata (15), per cui la camera di pressione (16, 16') è collegata ad una condotta di alta pressione (19) e un'uscita di gas (20) tramite una condotta di alimentazione (17) e una valvola di regolazione di pressione (18) controllata dal dispositivo di controllo (13), per cui la pressione (p) che regna nella camera di pressione (16, 16') esercita una forza che agisce sul rotore (3) nella direzione assiale .
3. Turbomacchina (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che la girante (5) è disposta su un'estremità dell'albero (4) in modo aggettante e che la camera di pressione (16) è formata tra la parte posteriore (14) della girante come la superficie di rotore e la superficie di carcassa adiacente (15).
4. Turbomacchina (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che la camera di pressione (16) è delimitata e chiusa a tenuta da un labirinto di girante (21) tra la parte posteriore (14) della girante e la carcassa (2), da una parte, e un labirinto di albero (22) tra l'albero (4) e la carcassa (2), dall'altra parte.
5. Turbomacchina (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzata dal fatto che il rotore (3) presenta una girante (5, 5') in ciascun esempio sulle estremità opposte dell'albero.
6. Turbomacchina (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzata dal fatto che il rotore (3) ha almeno una girante (5) di uno stadio di turbina ad espansione (6) come presa di moto e/o almeno una girante (5') di uno stadio di turbocompressore (7) come presa di forza.
7. Turbomacchina (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzata dal fatto che l'albero (4) è collegato ad un meccanismo a ingranaggi (27) e/o ad un giunto flessibile.
8. Turbomacchina (1) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzata dal fatto che una macchina elettrica (23) è disposta nella carcassa (2) che è collegata all'albero (4) e che è configurata come motore di azionamento o generatore.