ITUA20164308A1 - Assieme a geometria variabile per turbomacchina e turbomacchina comprendente detto assieme - Google Patents

Description

"ASSIEME A GEOMETRIA VARIABILE PER TURBOMACCHINA E TURBOMACCHINA COMPRENDENTE DETTO ASSIEME"

Descrizione

Campo tecnico

L'oggetto della presente descrizione riguarda le turbomacchine. Forme di realizzazione qui descritte riguardano turbomacchine che producono potenza, quali turboespantori o turbine centrifughi. Altre forme di realizzazione riguardano turbomacchine che assorbono potenza, quali compressori centrifughi.

Più specificamente la descrizione riguarda miglioramenti a organi a geometria variabile usati in tali turbomacchine per regolare il flusso di un fluido elaborato attraverso la turbomacchina.

Arte anteriore

Turboespantori e turbine radiali sono turbomacchine comunemente usate che generano potenza meccanica utile da un flusso di gas pressurizzato. Espantori e turbine centripeti sono usati per convertire energia di pressione e calore di un flusso gassoso in energia meccanica per azionare un carico. Turbine centripete vengono usate ad esempio in sovralimentatori a turbina per motori a combustione interna. Gas di combustione esausto dalla camera di combustione del motore a combustione interna viene espanso nella turbina centripeta, la quale a sua volta aziona un compressore di alimentazione di aria. Quest'ultimo aumenta la pressione di aria in ingresso prima di miscelarla con combustibile ed infine la miscela aria-combustibile viene bruciata nella camera di combustione del motore a combustione interna. Sovralimentatori a turbina sono oggigiorno comunemente usati in applicazioni automobilistiche, nonché in motori navali, per aumentare la potenza fornita dal motore a combustione interna.

Turboespantori e turbine radiali sono usati anche in applicazioni differenti dalla sovralimentazione di motori a combustione interna. Ad esempio turboespantori o turbine radiali sono usati per azionare generatori elettrici o altri carichi, quali compressori industriali o pompe.

E' spesso desiderabile controllare il flusso del gas di lavoro elaborato attraverso la turbina o turboespantore radiale, per aumentarne l'efficienza o per controllare il funzionamento della turbomacchina in condizioni variabili fuori dal punto di progetto.

Per soddisfare questa esigenza sono stati sviluppati turboespantori e turbine a geometria variabile. Queste turbomacchine a geometria variabile sono usualmente provviste di ugelli di guida variabili, in breve denominati NGV. Gli ugelli di guida variabili sono posizionati anularmente attorno ad un ingresso della turbina.

Ciascuna paletta è articolata attorno ad un rispettivo asse di articolazione, che è usualmente parallelo all'asse di rotazione della girante della turbina. Ciascuna paletta oscillante è accoppiata per mezzo di una leva ad un disco ruotante. La rotazione del disco per mezzo di un attuatore provoca la simultanea oscillazione delle palette attorno ai rispettivi assi di articolazione, così regolando la sezione di gola dei passaggi di flusso formati fra palette adiacenti, così da controllare il flusso di fluido di lavoro attraverso la turbina.

Compressori centrifughi sono macchine condotte usate per aumentare la pressione di un gas di lavoro da una pressione di aspirazione ad una pressione di mandata. Una o più giranti sono disposte per ruotare in una cassa e sono azionate in rotazione da un motore, quale una turbina a gas od un motore elettrico. Energia cinetica viene fornita da pale della girante ruotante al gas che fluisce attraverso di essa, cosicché il gas viene accelerato attraverso la girante. L'energia cinetica del gas che esce radialmente dalla girante viene convertita in energia di pressione in un diffusore disposto anularmente attorno all'uscita centrifuga della girante. Alcuni compressori centrifughi noti sono forniti di diffusori palettati cioè diffusori in cui sono disposte palette per aumentare l'efficienza della turbomacchina.

A volte sono utilizzate palette di diffusore variabili per aumentare l'efficienza del compressore centrifugo, al quale è richiesto di funzionare in condizioni operative variabili. Analogamente alle palette degli ugelli di guida variabili, le palette di diffusore variabili sono montate per ruotare attorno a rispettivi assi di articolazione. Un anello attuatore, a cui le palette del diffusore variabile sono collegate attraverso rispettive leve, provoca l'oscillazione simultanea delle palette attorno ai rispettivi assi di articolazione, controllando in questo modo il passaggio di flusso di gas e regolando la sua geometria in funzione di condizioni operative variabili.

Questi meccanismi a geometria variabili sono complessi da produrre e difficili da montare, a causa dell'elevato numero di componenti di cui sono formati. Palette, leve ed altre connessioni multiple che collegano le palette all'attuatore sono soggetti a vibrazioni e guasti. Giochi di accoppiamento provocano allentamenti nelle connessioni cinematiche fra l'attuatore e le palette.

Esiste pertanto l'esigenza di un organo a geometria variabile più efficiente atto a regolare le condizioni operative di una turbomacchina.

Sommario dell'invenzione

Secondo un aspetto, viene descritto un assieme a geometria variabile, per modulare un flusso di fluido in una turbomacchina. L'assieme a geometria variabile comprende un primo anello ed un secondo anello. Il primo anello e il secondo anello possono essere sostanzialmente coassiali l'uno rispetto all'altro. Il primo anello può comprendere una pluralità di primi elementi a forma di cuneo. In forme di realizzazioni qui descritte, analogamente al primo anello, il secondo anello comprende una pluralità di secondi elementi a forma di cuneo. Il primo anello ed il secondo anello sono mobili angolarmente l'uno rispetto all'altro. Inoltre il primo anello e il secondo anello sono configurati per muoversi assialmente l'uno rispetto all'altro quando il primo anello e il secondo anello vengono spostati angolarmente l'uno rispetto all'altro. I primi elementi sagomati a cuneo e i secondi elementi sagomati a cuneo sono configurati disposti per cooperare gli uni con gli altri.

La cooperazione reciproca dei primi elementi a forma di cuneo e dei secondi elementi a forma di cuneo può in generale comprendere una spinta reciproca in una direzione assiale, cioè in una direzione sostanzialmente parallela all'asse degli anelli, con il che i primi elementi a forma di cuneo e i secondi elementi a forma di cuneo spingono gli uni contro gli altri in direzione assiale. I primi elementi a forma di cuneo e i secondi elementi a forma di cuneo possono essere configurati per mantenere un rapporto di reciproco contatto a scorrimento, ad esempio per mezzo di organi elastici. Gli elementi a forma di cuneo possono ad esempio avere superfici di scorrimento che possono essere inclinate rispetto all'asse degli anelli e in direzione tangenziale, cioè in una direzione di estensione degli anelli attorno all'asse. L'inclinazione delle superfici di scorrimento fa si che gli anelli si spostino assialmente l'uno rispetto all'altro, cioè si avvicinino o si allontanino reciprocamente, come conseguenza del loro mutuo spostamento angolare.

Passaggi di flusso sono definiti fra coppie di primi elementi a forma di cuneo e secondi elementi a forma di cuneo disposti in sequenza, cioè un passaggio di flusso è definito fra ciascuna coppia consistente di uno dei primi elementi a forma di cuneo e di uno dei secondi elementi a forma di cuneo disposti in sequenza attorno all'asse degli anelli.

Gli spostamenti reciproci assiali e angolari del primo anello e del secondo anello determinano una variazione della sezione trasversale di detti passaggi di flusso, per modulare un flusso di fluido attraverso l'assieme a geometria variabile.

La modulazione di flusso attraverso l'assieme a geometria variabile è quindi ottenuto senza la necessità di palette articolate. Si ottiene così un dispositivo di modulazione del flusso semplice, affidabile ed efficiente.

Le prime superfici di scorrimento e le seconde superfici di scorrimento dei primi elementi a forma di cuneo e dei secondi elementi a forma di cuneo possono essere lisce, cosicché il primo anello ed il secondo anello scorrono in maniera continua l'uno sull'altro quando si verifica lo spostamento angolare fra di essi.

Secondo alcune forme di realizzazione esemplificative, i primi e i secondi elementi a forma di cuneo possono comprendere superfici a profilo alare, ciascun passaggio di flusso può così essere formato tra una prima superficie a profilo alare formata sul rispettivo primo elemento a forma di cuneo e una seconda superficie a profilo alare formata sul rispettivo secondo elemento a forma di cuneo.

In alcune forme di realizzazione la prima superficie a profilo alare e la seconda superficie a profilo alare possono essere configurate per corrispondersi l'una con l'altra così da chiudere il rispettivo passaggio di flusso formato fra di esse, cosicché il flusso di fluido può essere interamente impedito quando il primo anello e il secondo anello sono in una posizione di chiusura.

L'assieme a geometria variabile può essere configurato cosicché fluido fluisce attraverso i passaggi di flusso secondo una direzione orientata radialmente verso l'interno oppure in una direzione orientata radialmente verso l'esterno. Un flusso diretto radialmente verso l'interno può ad esempio essere generato nel caso in cui l'assieme a geometria variabile è usato in una turbina o turboespantore centripeto. Un flusso diretto radialmente verso l'esterno può essere generato nel caso in cui l'assieme a geometria variabile è usato in un compressore centrifugo, e più specificamente all'uscita della girante centrifuga, formando un diffusore palettato.

Un attuatore può essere accoppiato funzionalmente ad almeno uno dei detti primo anello e secondo anello e può essere configurato per spostare angolarmente il primo anello e il secondo anello l'uno rispetto all'altro attorno all'asse di essi.

Organi elastici possono inoltre essere previsti per sollecitare elasticamente il primo anello e il secondo anello l'uno contro l'altro così da mantenere, ad esempio, le superfici di scorrimento in contatto reciproco le une con le altre.

Secondo un ulteriore aspetto, viene qui descritta una turbomacchina, la quale comprende un assieme a geometria variabile come sopra descritto. La turbomacchina può comprendere una cassa e una girante disposta nella cassa per ruotare attorno ad un asse di rotazione. Vantaggiosamente, la girante è sostanzialmente coassiale al primo anello e al secondo anello. Un passaggio di fluido orientato radialmente può essere previsto in comunicazione di fluido con la girante. Il primo anello e il secondo anello possono essere disposti nel passaggio di fluido orientato radialmente.

Uno di detti primo anello e secondo anello dell'assieme a geometria variabile può essere vincolato assialmente alla cassa e mobile angolarmente rispetto alla cassa, attorno all'asse di rotazione della girante. L'altro anello può essere vincolato angolarmente alla cassa e mobile assialmente rispetto alla cassa in una direzione parallela all'asse di rotazione della girante. In questo modo gli spostamenti angolari ed assiali reciproci sono distribuiti in modo tale che un anello è spostabile soltanto nella direzione angolare mentre l'altro anello è spostabile soltanto nella direzione assiale.

Forme di realizzazione qui descritte concernono anche una turbomacchina a geometria variabile, che comprende una cassa, almeno una girante disposta nella cassa per ruotare attorno ad un asse di rotazione ed un organo a geometria variabile, o assieme a geometria variabile, disposto in un passaggio di fluido orientato radialmente, in comunicazione di fluido con la girante. L'assieme a geometria variabile comprende un primo anello e un secondo anello disposti sostanzialmente coassiali alla girante. Il primo anello può comprendere una pluralità di primi elementi a forma di cuneo rivolti verso il secondo anello, e il secondo anello può comprendere una pluralità di secondi elementi a forma di cuneo rivolti verso il primo anello. Ciascun primo elemento a forma di cuneo può comprendere una prima superficie di scorrimento in contatto di scorrimento con una rispettiva seconda superficie di scorrimento di un corrispondente di detti secondi elementi a forma di cuneo. Il primo anello e il secondo anello sono mobili angolarmente e assialmente l'uno rispetto all'altro. Nel senso inteso in questo contesto, uno spostamento angolare è una rotazione attorno all'asse di rotazione della girante della turbomacchina. Nel senso qui utilizzato, uno spostamento assiale è uno spostamento in una direzione sostanzialmente parallela all'asse di rotazione della girante.

Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

la Fig.1 illustra una sezione di una unità turboespantore e generatore elettrico; Fig.2 illustra un ingrandimento di una porzione della Fig.1; le

Figg.3A e 3B illustrano viste assonometriche di un primo anello e di un secondo anello dell'assieme a geometria variabile del turboespantore delle Figg.1 e 2; la Fig.4 illustra una vista assonometrica dell'assieme a geometria variabile; la Fig.5 illustra una vista frontale dell'assieme a geometria variabile in una prima posizione; la

Fig.6 illustra una sezione secondo la linea VI-VI della Fig.5; la

Fig.7 illustra una vista laterale secondo la linea VII-VII della Fig.5; la Fig.8 illustra una sezione secondo la linea VIII-VIII della Fig.7; la

Fig.9 illustra una vista frontale dell'assieme a geometria variabile in una seconda posizione; la

Fig.10 illustra una sezione secondo la linea X-X della Fig.9; la

Fig.11 illustra una vista laterale secondo la linea XI-XI della Fig.9; la Fig.12 illustra una sezione secondo la linea XII-XII della Fig.11; la Fig.13 illustra una vista frontale dell'assieme a geometria variabile in una terza posizione; la

Fig.14 illustra una sezione secondo la linea XIV-XIV della Fig.13; la Fig.15 illustra una vista laterale secondo la linea XV-XV della Fig.13; la Fig.16 illustra una sezione secondo la linea XVI-XVI della Fig.15; la Fig.17 illustra una sezione di un compressore centrifugo comprendente un assieme a geometria variabile secondo la presente descrizione.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Al contrario, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteri stiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Le Figg.1 e 2 illustrano sezioni di una turbomacchina a geometria variabile esemplificativa secondo la presente descrizione. In questa forma di realizzazione esemplificativa la turbomacchina è un espantore centripeto formante parte di una unità turboespantore e generatore. Potenza meccanica generata dal turboespantore è usata per ruotare un generatore elettrico, che converte la potenza meccanica in potenza elettrica.

In altre forme di realizzazione, il turboespantore può essere meccanicamente accoppiato ad un differente carico ruotante, ad esempio ad un compressore o ad una pompa. In alcune forme di realizzazione il turboespantore può essere usato per azionare un compressore di un sovralimentatore a turbina per un motore a combustione interna.

Con riferimento ora alle Figg.1 e 2, una unità turboespantore-generatore 1 è comprensiva di un turboespantore 3 e di un generatore elettrico 5. L'unità turboespantore-generatore 1 comprende una cassa 7 di turboespantore e una cassa 9 di generatore. La cassa 7 di turboespantore e la cassa 9 di turbogeneratore possono essere accoppiate l'una all'altra rigidamente per formare un corpo unico. L'unità turboespantoregeneratore 1 può essere usata per convertire energia immagazzinata in un gas di processo in energia elettrica. Le unità turboespantore-generatore possono essere usate in varie applicazioni, ogni qualvolta è disponibile gas compresso quale sorgente di energia per azionare il turboespantore. Possibili applicazioni dell'unità turboespantore-generatore 1 sono sistemi di accumulo di energia ad aria compressa (sistemi CAES), sistemi di recupero di energia di gas esausto (sistemi WGER), stazioni REMI, sistemi di liquefazione di gas, cicli Rankine organici (ORC), e simili.

La cassa 7 di turboespantore può comprendere un ingresso di gas 11 e una uscita assiale di gas 12. L'ingresso di gas 11 è in accoppiamento di fluido con un plenum di ingresso 13. Il turboespantore 3 comprende inoltre una girante 15 disposta per ruotare nella cassa 7 di turboespantore attorno ad un asse di rotazione A-A. La girante 15 comprende un disco 17 e una pluralità di pale o palette 19 rigidamente montate sul disco 17 ed estendentisi da esso. Gas fluisce (freccia F) attraverso la girante 15 in una direzione centripeta, da un ingresso 15A della girante orientato sostanzialmente in direzione radiale, fino a una uscita 15B della girante orientata sostanzialmente in direzione assiale (Fig.2). Mentre fluisce attraverso la girante 15, il gas si espande da una pressione di ingresso P1 ad una pressione di scarico P2. Il salto entalpico del gas attraverso la girante 15 viene convertito in potenza meccanica, che aziona la girante 15 in rotazione attorno all'asse di rotazione A-A.

La girante 15 è montata su un albero 21, che si estende nella cassa 9 del generatore e supporta un rotore 23 del generatore elettrico 5. Il rotore 23 è disposto coassialmente in uno statore 25 ed è azionato in rotazione da potenza meccanica generata dal turboespantore 3.

Per controllare le condizioni operative del turboespantore 5, è previsto un assieme a geometria variabile. L'assieme a geometria variabile comprende principalmente un organo a geometria variabile 31 disposto attorno all'asse di rotazione A-A, fra il plenum di ingresso 13 e l'ingresso 15A della girante. L'organo a geometria variabile 31 è configurato per regolare un passaggio di flusso fra il plenum di ingresso 13 e la girante 15, così da adattare la portata del flusso di gas che fluisce attraverso il turboespantore 3 a condizioni operative variabili del turboespantore.

Continuando a riferirsi alle Figg.1 e 2, dettagli dell'organo a geometria variabile 31 verranno ora descritti con riferimento alle Figg.3A ad 8.

L'organo a geometria variabile 31 può comprendere un primo anello 33 ed un secondo anello 35. Il primo anello 33 e il secondo anello 35 sono disposti sostanzialmente coassiali l'uno all'altro e alla girante 15, come mostrato in Fig.2. Nelle Figg.3A, 3B, 4-8 il primo anello 33 e il secondo anello 35 sono mostrati in una maniera in qualche modo semplificata, limitata ai loro componenti principali che sono effettivamente utilizzati per regolare il passaggio del flusso di gas, mentre dettagli strutturali aggiuntivi sono mostrati soltanto in Fig.2.

Il primo anello 33 ha un primo lato 33A e un secondo lato 33B tra loro opposti. Il secondo lato 33B è rivolto verso il secondo anello 35 (vedasi Fig.2). Il secondo anello 35 ha a sua volta un primo lato 35A e un secondo lato 35B, quest'ultimo rivolto verso il secondo lato 33B del primo anello 33.

Come meglio mostrato nelle Figg.3A e 3B, il primo anello 33 è provvisto di primi elementi a forma di cuneo 37, rivolti verso il secondo anello 35. Nella forma di realizzazione esemplificativa illustrata nei disegni allegati, il primo anello 33 è provvisto di cinque elementi 37 a forma di cuneo, ma come apparirà chiaro dalla seguente descrizione, il numero degli elementi a forma di cuneo può essere differente. Ciascun elemento a forma di cuneo 37 sporge dal lato 33B del primo anello 33 ed è rivolto verso il secondo anello 35. Ciascun primo elemento 37 a forma di cuneo comprende una rispettiva prima superficie di scorrimento 37A che coopera con il contrapposto secondo anello 35 in una maniera che verrà descritta in seguito. Ciascuna prima superficie di scorrimento 37A può essere inclinata rispetto ad una superficie piana ortogonale all'asse di rotazione A-A sia nella direzione radiale (come mostrato nella vista in sezione della Fig.2), sia nella direzione tangenziale (come mostrato nella vista assonometrica della Fig.3A e nella vista laterale della Fig.7).

Ciascun primo elemento a forma di cuneo 37 comprende inoltre superfici laterali 37B e 37C. La superficie laterale 37B è una superficie a profilo alare che definisce in parte un passaggio di flusso di gas, come verrà descritto più avanti. La seconda superficie laterale 37C è sostanzialmente una superficie cilindrica coassiale all'asse di rotazione A-A della girante 15. Le superfici laterali 37B, 37C convergono verso un bordo di uscita 37D rivolto verso l'interno del primo anello 33.

Il secondo anello 35 comprende una pluralità di secondi elementi a forma di cuneo 39. Il numero di secondi elementi a forma di cuneo 39 è uguale al numero di primi elementi a forma di cuneo 37, cioè cinque nella forma di realizzazione illustrata nelle Figg.3A-8. Ciascun secondo elemento a forma di cuneo 39 comprende una rispettiva seconda superficie di scorrimento 39A che coopera con il contrapposto primo anello 33. Più specificamente, come meglio mostrato nelle Figg.2 e 4, ciascuna prima superficie di scorrimento 37A è in contatto di scorrimento con una corrispondente seconda superficie di scorrimento 39A. Ciascuna seconda superficie di scorrimento 39A è inclinata rispetto a una superficie piana ortogonale all'asse di rotazione A-A sia nella direzione radiale (vedasi Fig.2), sia nella direzione tangenziale (vedasi Figg.3B e 7).

Ciascun secondo elemento a forma di cuneo 39 comprende inoltre superfici laterali 39B e 39C. La superficie laterale 39B è una superficie a profilo alare che definisce in parte un passaggio di flusso di gas come verrà descritto più avanti. La superficie laterale 39C è una superficie sostanzialmente cilindrica coassiale all'asse di rotazione A-A della girante 15. Le superfici laterali 39B, 39C convergono verso un bordo di attacco 39D stondato, orientato verso l'esterno dell'anello 35.

Come meglio rappresentato in Fig.4, un rispettivo passaggio di flusso di gas 41 è formato tra ciascuna coppia di un primo elemento a forma di cuneo 33 e un secondo elemento a forma di cuneo 35 disposti in sequenza. Ciascun passaggio di flusso 41 è definito fra le superfici a profilo alare 37B e 39B e porzioni di opposte prima superficie di scorrimento 37A e seconda superficie di scorrimento 39A. I bordi di attacco 39D sono disposti all'ingresso di ciascun passaggio di flusso 41 e i bordi di uscita 37D sono disposti all'uscita di ciascun passaggio di flusso 41. Come verrà descritto in maggiore dettaglio più avanti, la sezione trasversale dei passaggi di flusso 41 può essere aumentata o ridotta, oppure i passaggi di flusso 41 possono essere completamente chiusi, spostando angolarmente e assialmente il primo anello 33 e il secondo anello 35 l'uno rispetto all'altro.

Nella forma di realizzazione qui descritta il primo anello 33 e il secondo anello 35 sono montati nella cassa 7 del turboespantore in modo tale che il primo anello 33 è mobile in una direzione assiale parallela all'asse di rotazione A-A, ma angolarmente fisso rispetto alla cassa 7 del turboespantore, viceversa, il secondo anello 35 è spostabile angolarmente attorno all'asse di rotazione A-A, ma è assialmente fisso rispetto alla cassa 7 del turboespantore.

Secondo alcune forme di realizzazione, il primo anello 33 è montato attorno ad una flangia stazionaria 43 di pezzo con la cassa 7 del turboespantore. Il primo anello 33 può essere provvisto di un risalto anulare esterno 45, mostrato in Fig.2 ma omesso nelle Figg.3A-16 per motivi di semplicità. Il risalto anulare 45 circonda la flangia 43 e può scorrere rispetto alla flangia 43 in una direzione assiale, cioè in una direzione sostanzialmente parallela all'asse di rotazione A-A. Una pluralità di organi resilienti di spinta 47 possono essere disposti fra il primo lato 33A del primo anello 33 e la flangia 43. Ad esempio possono essere usate molle di compressione elicoidali. In altre forme di realizzazione, non mostrate, possono essere usate molle a tazza o altri organi elastici al posto o in combinazione con le molle elicoidali.

Gli organi di spinta elastici 47 spingono il primo anello 33 contro il secondo anello 35, cosicché le prime superfici di scorrimento 37A e le seconde superfici di scorrimento 39A sono mantenute in reciproco contatto di pressione le une con le altre. Barre di guida 49 possono essere previste per consentire uno spostamento assiale del primo anello 33 in una direzione parallela all'asse di rotazione A-A e per evitare qualunque suo spostamento angolare attorno a detto asse. Quest'ultima funzione può essere ottenuta, in altre forme di realizzazione, tramite una spina di riferimento in combinazione con spine di guida. Le barre di guida possono anche essere usate per montare e trattenere gli organi di spinta elastici 47 nella loro posizione corretta fra il primo anello 33 e la flangia 43.

Il secondo anello 35 può essere supportato girevolmente su una sporgenza stazionaria 51 formata di pezzo con la cassa 7 del turboespantore. Una bussola radiale anti-frizione 53 e una bussola assiale anti-frizione 55 possono supportare girevolmente e assialmente il secondo anello 35 sul risalto stazionario 51. Il secondo anello 35 può essere provvisto di una scanalatura anulare 57 (mostrata in Fig.2 e omessa nelle rimanenti figure per semplicità), in cui sporge il risalto stazionario 51. Il secondo anello 35 può essere spostato angolarmente attorno all'asse di rotazione A-A sotto il controllo di un attuatore 61 che è collegato al secondo anello 35 per mezzo di una biella 63.

Grazie ai primi e secondi elementi a forma di cuneo 37 e 39, che sono in mutuo contatto di scorrimento attraverso le superfici di scorrimento 37A e 39A, quando il secondo anello 35 è spostato angolarmente attorno all'asse di rotazione A-A, il primo anello 33 viene spinto a muoversi assialmente allontanandosi dal secondo anello 35 contro la forza elastica degli organi di spinta elastici 47. Il combinato spostamento angolare e assiale del primo anello 33 e del secondo anello 35 l'uno rispetto all'altro modifica la geometria dell'organo a geometria variabile 31 come può essere meglio compreso confrontando le Figg.5 a 16. Lo spostamento dei due anelli provoca una variazione della sezione trasversale dei passaggi di flusso 41 definiti dall'organo a geometria variabile 31.

Le Figg.5 a 8 illustrano viste dell'organo a geometria variabile 31 in una prima posizione, in cui i passaggi di flusso 41 definiti fra gli elementi a forma di cuneo 37 e 39 sono chiusi. Le superfici a profilo alare 39B dei secondi elementi a forma di cuneo 39 sono in contatto con le superfici a profilo alare 37B dei primi elementi a forma di cuneo 37, cosicché i passaggi di flusso 41 sono chiusi.

Le Figg.9 a 12 illustrano le stesse viste delle Figg.5 a 8, ma con i due anelli 33, 35 in una posizione angolare reciproca leggermente diversa. Più specificamente, il secondo anello 35 è spostato di 5° rispetto alla posizione delle Figg.5 a 8. Coppie mutuamente corrispondenti di superfici a profilo alare 37B, 39B sono spostate leggermente l'una rispetto all'altra cosicché i passaggi di flusso 41 formati fra coppie di elementi a forma di cuneo 37, 39 adiacenti sono leggermente aperti. La forma a cuneo degli elementi a forma di cuneo 37, 39 provoca un leggero distanziamento dei due anelli 33, 35 come conseguenza del loro spostamento angolare reciproco.

Per aumentare ulteriormente la sezione trasversale totale dei passaggi di flusso 41, i due anelli 33, 35 possono essere ulteriormente spostati angolarmente l'uno rispetto all'altro, ad esempio di 10°, come mostrato nelle Figg.13 a 16. Una ulteriore rotazione del secondo anello 35 rispetto al primo anello 33 provocherà una ulteriore apertura dei passaggi di flusso 41 per portate maggiori. L'ulteriore spostamento angolare ha provocato un ulteriore spostamento assiale fra gli anelli 33, 35, che sono ulteriormente distanziati l'uno rispetto all'altro.

La condizione operativa del turboespantore 7 può così essere regolata semplicemente ruotando un organo rigido (anello 35) e spostando leggermente un altro organo rigido (anello 33) in una direzione assiale.

Nella forma di realizzazione sopra descritta l'organo a geometria variabile 31 è disposto all'ingresso di una girante centripeta 15 di un turboespantore 7. Un organo a geometria variabile simile può essere usato in altre disposizioni di turbomacchina, dove esiste una esigenza similare di regolare i passaggi di flusso in funzione delle condizioni di funzionamento della turbomacchina.

Ad esempio la Fig.17 illustra schematicamente un compressore centrifugo 107 con un diffusore palettato. Il compressore centrifugo 107 comprende una girante 115 montata per ruotare su un albero 121 disposto in una cassa 122. Gas che entra nella girante 115 (freccia F) viene accelerato dalle pale ruotanti della girante 115 e l'energia cinetica così impartita al gas è convertita in energia di pressione in un diffusore 125.

Un assieme a geometria variabile comprensivo di un organo a geometria variabile 131 è disposto attorno ad una uscita radiale della girante 115. L'organo a geometria variabile 131 può essere configurato in una maniera simile all'organo a geometria variabile 31 sopra descritto. Ad esempio, l'organo a geometria variabile 131 può comprendere un primo anello 133 e un secondo anello 135, che sono provvisti di rispettivi primi e secondi elementi a forma di cuneo 137, 139, simili agli elementi a forma di cuneo 37 e 39, e non mostrati in dettaglio. Gli elementi a forma di cuneo 137, 139 del primo anello 133 e del secondo anello 135 definiscono passaggi di flusso attraverso cui il gas accelerato fluisce dall'uscita della girante in una chiocciola 134, da cui il gas fluisce in un condotto di mandata (non mostrato).

La posizione dei due anelli 133, 135 può essere regolata in funzione delle condizioni operative del compressore 107. Gli elementi a forma di cuneo 137, 139 dei due anelli 133, 135 agiscono in una maniera simile a palettature di un diffusore variabile dei compressori centrifughi dell'arte corrente. Gli elementi a forma di cuneo 137, 139 possono essere differenti nella forma rispetto agli elementi a forma di cuneo 37, 39, in considerazione delle differenti condizioni di flusso attraverso i passaggi di flusso definiti fra elementi a forma di cuneo 137, 139 disposti sequenzialmente. Mentre nelle Figg.1 a 16 il fluido fluisce in una direzione centripeta attraverso l'organo a geometria variabile 31, in Fig.17 il fluido fluisce in una direzione centrifuga attraverso l'organo a geometria variabile 131 e pertanto i bordi di attacco degli elementi a forma di cuneo sono rivolti verso l'interno verso l'asse di rotazione A-A della girante 115 e i bordi di uscita sono orientati verso l'esterno.

Il compressore 107 può anche essere provvisto di vani di guida di ingresso variabile 144 disposti in un plenum di ingresso assiale posizionato a monte della girante 115. La posizione angolare dei vani di guida di ingresso variabile 144 può essere regolata in modo noto agli esperti del ramo, per regolare le condizioni di flusso di gas, in combinazione con una regolazione effettuata dall'organo a geometria variabile 131. L'uso di un plenum di ingresso radiale con vani di guida di ingresso variabili disposti radialmente non è escluso. Nel qual caso può essere usato all'ingresso del compressore 107 un organo a geometria variabile simile agli organi 31 o 131.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims (15)

1. "ASSIEME A GEOMETRIA VARIABILE PER TURBOMACCHINA E TURBOMACCHINA COMPRENDENTE DETTO ASSIEME" Rivendicazioni 1. Un assieme a geometria variabile per modulare un flusso di fluido in<una turbomacchina, comprendente:> − un primo anello (33; 133) comprendente una pluralità di primi elementi a<forma di cuneo (37; 137) ed avente un'asse (A-A);> − un secondo anello (35; 135) comprendente una pluralità di secondi elementi aforma di cuneo (39; 139) ed avente un'asse (A-A), il secondo anello (35; 135) essendo sostanzialmente coassiale al primo anello (33; 133); i secondi elementi a forma di cuneo (39; 139) cooperando con i primi elementi a forma di cuneo (37; 137); in cui: passaggi di flusso (41) sono definiti fra coppie di primi elementi a forma di cuneo (37; 137) e secondi elementi a forma di cuneo (39; 139) disposti sequenzialmente; il primo anello (33; 133) e il secondo anello (35; 135) sono spostabili angolarmente l'uno rispetto all'altro; il primo anello (33; 133) e il secondo anello (35; 135) sono configurati per muoversi assialmente l'uno rispetto all'altro quando il primo anello e il secondo anello sono spostati angolarmente l'uno rispetto all'altro.
2. 2. L'assieme a geometria variabile della rivendicazione 1, in cui ciascun primo elemento a forma di cuneo (37; 137) comprende una prima superficie di scorrimento (37A) in contatto di scorrimento con una rispettiva seconda superficie di scorrimento (39A) di un corrispondente di detti secondi elementi a forma di cuneo (39; 139).
3. 3. L'assieme a geometria variabile della rivendicazione 2, in cui le prime superfici di scorrimento (37A) e le seconde superfici di scorrimento (39A) sono lisce cosicché il primo anello (33;133) e il secondo anello (35; 135) scorrono in maniera continua l'uno sull'altro quando si verifica lo spostamento angolare tra di essi.
4. 4. L'assieme a geometria variabile di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun passaggio di flusso (41) è formato fra una prima superficie a profilo alare (37B) formata sul rispettivo primo elemento a forma di cuneo (37) e una seconda superficie a profilo alare (39B) formata sul rispettivo secondo elemento a forma di cuneo (39).
5. 5. L'assieme a geometria variabile della rivendicazione 4, in cui la prima superficie a profilo alare (37B) e la seconda superficie a profilo alare (39B) sono configurate per corrispondere l'una all'altra così da chiudere il rispettivo passaggio di flusso (41) formato tra di esse in una posizione angolare di chiusura del primo anello e del secondo anello.
6. 6. L'assieme a geometria variabile di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui i primi elementi a forma di cuneo (37) sono comprensivi di rispettivi bordi di uscita (37D) e i secondi elementi a forma di cuneo (39) sono comprensivi di rispettivi bordi di attacco (39D).
7. 7. L'assieme a geometria variabile della rivendicazione 6, in cui i bordi di uscita (37D) sono rivolti radialmente verso l'interno e verso l'asse (A-A) del primo anello (33; 133) e del secondo anello (35; 135) e i bordi di attacco (39D) sono rivolti radialmente verso l'esterno in allontanamento dall'asse (A-A).
8. 8. L'assieme a geometria variabile della rivendicazione 6, in cui i bordi di attacco sono rivolti radialmente verso l'interno e verso l'asse (A-A) del primo anello (33; 133) e del secondo anello (35; 135) e i bordi di uscita sono rivolti radialmente verso l'esterno in allontanamento dall'asse (A-A).
9. 9. L'assieme a geometria variabile di una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un attuatore (61) accoppiato funzionalmente ad almeno uno del primo anello (33; 133) e secondo anello (35; 135), e configurato per spostare angolarmente il primo anello (33; 133) e il secondo anello (35; 135) l'uno rispetto all'altro attorno all'asse (A-A) di essi.
10. 10. L'assieme a geometria variabile di una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente organi elastici (47) che sollecitano elasticamente il primo anello (33; 133) e il secondo anello (35; 135) l'uno contro l'altro.
11. 11. Una turbomacchina comprendente un assieme a geometria variabile secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. La turbomacchina della rivendicazione 11 comprendente: una cassa (7; 122); una girante (15; 115) disposta nella cassa per ruotare attorno ad un asse di rotazione (A-A); un passaggio di flusso orientato radialmente in combinazione di fluido con la girante (15; 115); in cui il primo anello (33; 133) e il secondo anello (35; 135) sono disposti nel passaggio di fluido orientato radialmente sostanzialmente coassialmente alla girante (15; 115).
13. 13. La turbomacchina della rivendicazione 12, in cui uno dei detti primo anello (33; 133) e secondo anello (35; 135) dell'assieme a geometria variabile è vincolato assialmente alla cassa e spostabile angolarmente attorno all'asse di rotazione (A-A), e l'altro di detti primo anello e secondo anello è angolarmente vincolato alla cassa (7; 122) e spostabile assialmente in direzione parallela all'asse di rotazione (A-A).
14. 14. La turbomacchina della rivendicazione 12 o 13, in cui la girante (15) comprende un ingresso di girante orientato sostanzialmente in direzione radiale e una uscita di girante orientata sostanzialmente in direzione assiale, la turbomacchina essendo configurata come espantore o turbina centripeto; e in cui l'assieme a geometria variabile è disposto all'ingresso di girante orientato sostanzialmente in direzione radiale per regolare il flusso che entra nella girante (15).
15. 15. La turbomacchina della rivendicazione 12 o 13, in cui la girante (115) comprende un ingresso di girante orientato sostanzialmente in direzione assiale e una uscita di girante orientata sostanzialmente in direzione radiale, la turbomacchina essendo configurata come compressore centrifugo; e in cui l'assieme a geometria variabile è disposto all'uscita di girante orientata sostanzialmente in direzione radiale, formando un diffusore palettato del compressore.