ITUB20154891A1

ITUB20154891A1 - Improved micro-gas turbine unit

Info

Publication number: ITUB20154891A1
Application number: ITUB2015A004891A
Authority: IT
Inventors: Fabrizio Stefani; Ramon Francesconi; Andrea Perrone; Luca Ratto
Original assignee: Univ Degli Studi Genova
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-04-20
Also published as: WO2017067982A1

Description

Unità micro-turbogas perfezionato Improved Micro-Turbogas Unit

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

La presente invenzione si riferisce al settore delle unità micro-turbogas. The present invention refers to the sector of micro-turbogas units.

Con quest'ultimo termine si intendono indicare le turbomacchine comprendenti usualmente un compressore , una camera di combustione ed una turbina di dimensioni contenute , che tipicamente lavorano con regimi di rotazione anche di 100.000 rpm. The latter term is intended to indicate turbomachinery usually comprising a compressor, a combustion chamber and a turbine of limited size, which typically operate with speeds of up to 100,000 rpm.

Tipicamente , non limitatamente , tali macchine sono realizzate in accordo alla norma ISO 3977-1:1997 e hanno dimensioni compatibili con potenze che vanno da 28 kW a circa 100-200 kW . Typically, but not limitedly, these machines are made in accordance with ISO 3977-1: 1997 and have dimensions compatible with powers ranging from 28 kW to about 100-200 kW.

STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART

Nelle unità micro-turbogas la girante del compressore e quella della turbina sono montate sullo stesso (unico) albero . In micro-turbogas units, the compressor impeller and the turbine impeller are mounted on the same (single) shaft.

Qui di seguito si farà riferimento a due tipologie di lay-out diversi e noti entrambi allo stato dell'arte che vengono indicati per comodità come lay-out "convenzionale" e "moderno" : il layout convenzionale è basato su cuscinetti volventi ad alta precisione, mentre quello moderno , utilizza cuscinetti areodinamici , di tipo a fogli lubrificati ad aria. Below we will refer to two different types of lay-out, both known in the state of the art, which are indicated for convenience as "conventional" and "modern" lay-out: the conventional layout is based on high precision rolling bearings , while the modern one uses aerodynamic bearings, of the air-lubricated sheet type.

Nel lay-out convenzionale , 1' albero è tenuto in posizione rispetto ad un telaio, libero di ruotare , grazie a dei cuscinetti volventi , spesso obliqui. In the conventional layout, the shaft is held in position with respect to a frame, free to rotate, thanks to rolling bearings, often oblique.

Dato 1'elevato numero di giri in fase operativa di una micro- turbina, tali cuscinetti volventi risultano funzionare spesso al limite delle loro possibilità meccaniche : ciò discende dal fatto che tali tipi di cuscinetti presentano certi limiti (velocità di utilizzo, temperature di funzionamento, fatica) che mal si prestano all'utilizzo nel campo delle unità microturbogas . Given the high number of revolutions in the operating phase of a micro-turbine, these rolling bearings often operate at the limit of their mechanical possibilities: this derives from the fact that these types of bearings have certain limits (speed of use, operating temperatures, fatigue) which are not suitable for use in the field of microturbogas units.

Si noti che in condizioni di esercizio le velocità di rotazione delle micro- turbine commerciali risultano comprese fra 43.000 e 116.000 rpm, mentre le temperature all' interno della micro- turbina variano fra 100°C e 100 0°C e sollecitano termicamente i cuscinetti in modo differente a seconda del loro posizionamento e dell' eventuale sistema di raffreddamento. It should be noted that in operating conditions the rotation speeds of commercial micro-turbines are between 43,000 and 116,000 rpm, while the temperatures inside the micro-turbine vary between 100 ° C and 100 0 ° C and thermally stress the bearings in different way according to their positioning and the possible cooling system.

Un limite particolarmente sentito è relativo ai carichi assiali : in questo senso i limiti di durata dei cuscinetti volventi legati alla fatica risultano poco adatti all'applicazione in oggetto. A particularly important limit is related to axial loads: in this sense, the duration limits of rolling bearings linked to fatigue are not very suitable for the application in question.

Si noti anche , per inciso, che in una unità mieroturbogas le spinte (assiali ) del compressore e della turbina risultano essere i carichi principali, in quanto usualmente di un ordine di grandezza superiori ai carichi radiali (costituiti dal peso della girante di compressore e turbina) . It should also be noted, incidentally, that in a mieroturbogas unit the (axial) thrusts of the compressor and of the turbine are the main loads, as usually by an order of magnitude higher than the radial loads (consisting of the weight of the compressor and turbine impeller ).

Per illustrare meglio questo aspetto, qui appresso, in Tavola 1, sono riportati i dati di progetto medi indicativi in condizioni nominali di un sistema microturbogas . To better illustrate this aspect, below, in Table 1, the indicative average design data in nominal conditions of a microturbogas system are reported.

Variabile di progetto [unità] Valore Project variable [unit] Value

Velocità di rotazione IM [girì/rrìn] 70000 Rotation speed IM [rpm / rrìn] 70000

Diametro celi' albero D [rum] 15 Shaft diameter D [rum] 15

Potenza P [kW] 110 Power P [kW] 110

Spinta della turbina Ft [N] 1100 Thrust of the turbine Ft [N] 1100

Spinta del compressore Fc [M] 600 Thrust of the compressor Fc [M] 600

Carico assiale riferimento (lay-out convenzionale) 1 ref [N] 5UU Reference axial load (conventional lay-out) 1 ref [N] 5UU

Carico radiale (peso del rotore) W [N] 40 Radial load (rotor weight) W [N] 40

Coppia della turbina ML [N rii] 30 Turbine torque ML [N rii] 30

Coppia del compressore Me [N m] 15 Compressor torque Me [N m] 15

Raggio primitivo delio scanalato [mm] 7 Primitive radius of the grooved ilium [mm] 7

tavola 1 table 1

nella seguente tavola 2, invece, sono riportate le durate Li, Lio ed Lso (corrispondenti al 99%, 90% e 50% di affidabilità) per set di cuscinetti volventi obliqui ad alta precisione noti, sottoposti ai carichi riportati in Tavola 1. in the following table 2, on the other hand, the lifetimes Li, Lio and Lso (corresponding to 99%, 90% and 50% reliability) for known sets of high precision angular contact rolling bearings, subjected to the loads reported in Table 1, are reported.

SET Li [ore] Lia [ore] Lso [ore] SET Li [hours] Lia [hours] Lso [hours]

2 cuscinetti, carico radiale W ed assiale Tref 65 310 1549 [bidirezion ale) 2 bearings, radial W and axial load Tref 65 310 1549 [bidirectional)

5 cuscinetti, carico radiale W ed assiale Tref 451 2150 10747 [bidirezionale 5 bearings, radial W and axial load Tref 451 2150 10747 [bidirectional

tavola 2 table 2

Tali durate vanno idealmente confrontate con la durata di una unità micro-turbogas , che allo stato attuale ammonta a 60.000-80.000 ore. These durations should ideally be compared with the duration of a micro-turbogas unit, which currently amounts to 60,000-80,000 hours.

Come si percepisce immediatamente , il tempo di utilizzo in ogni caso è decisamente inferiore alla durata dell' unità stessa, il che implica la sostituzione dei cuscinetti durante la vita utile dell'unità, con conseguente fermo macchina, perdita di produzione e perdite generali in termini di tempi/ costi di sostituzione . As can be immediately perceived, the time of use in any case is decidedly less than the life of the unit itself, which implies the replacement of the bearings during the useful life of the unit, with consequent downtime, loss of production and general losses in terms of replacement times / costs.

Per ovviare in parte a questo problema sono nate , appunto, le soluzioni relative al layout moderno in cui nell' unità micro-turbogas i cuscinetti volventi sono stati sostituiti con cuscinetti a fogli ad aria (noti in sé allo stato dell'arte) . In order to partially overcome this problem, the solutions relating to the modern layout have been created in which the rolling bearings in the micro-turbogas unit have been replaced with air foil bearings (known per se in the state of the art).

Si deve dire che , con questa soluzione , alcuni dei problemi sopra delineati risultano almeno in parte risolti . It must be said that, with this solution, some of the problems outlined above are at least partially resolved.

In particolare si riesce ad ottenere un funzionamento più affidabile , ecosostenibile (oil-f ree) ed una riduzione dei problemi legati alle alte temperature di funzionamento (progetto, refrigerazione, affidabilità) . Sebbene questa soluzione abbia quindi migliorato lo stato della tecnica generale ad essa antecedente , tuttavia presenta ancora alcuni limiti. In particular, it is possible to obtain a more reliable, eco-sustainable operation (oil-free) and a reduction of problems related to high operating temperatures (design, refrigeration, reliability). Although this solution has therefore improved the general state of the art prior to it, it still has some limitations.

Tali limiti risultano legati principalmente al fatto che i cuscinetti a fogli ad aria hanno una vita dipendente dal numero di avvii e fermate dell'unità. These limits are mainly related to the fact that the air sheet bearings have a life depending on the number of starts and stops of the unit.

Questo aspetto è piuttosto rilevante nel campo delle unità micro-turbogas , stante il fatto che per loro natura queste unità hanno cicli di funzionamento relativamente brevi , con plurimi avvìi e fermate anche nella stessa giornata . This aspect is quite relevant in the field of micro-turbogas units, given the fact that by their nature these units have relatively short operating cycles, with multiple starts and stops even on the same day.

Il cuscinetto a fogli ad aria -infatti- esercita la sua funzione quando la velocità di rotazione è tale da generare un sostentamento aerodinamico dello stesso. Se la velocità di rotazione dell'albero non è sufficiente a produrre il pieno sostentamento aerodinamico del cuscinetto, si genera un contatto di strisciamento fra i fogli del cuscinetto a fogli ad aria, il quale contatto genera inevitabilmente una certa usura. The air leaf bearing - in fact - performs its function when the rotation speed is such as to generate an aerodynamic support of the same. If the rotation speed of the shaft is not sufficient to produce the full aerodynamic support of the bearing, a sliding contact is generated between the sheets of the air sheet bearing, which contact inevitably generates some wear.

Come si può facilmente intuire questa condizione non ottimale di funzionamento si determina sia in occasione della riduzione di velocità di rotazione dell' albero, approssimandosi ad un arresto, sia in occasione di una partenza, da fermo, dell'unità. As can be easily understood, this non-optimal operating condition occurs both when the shaft rotation speed is reduced, approaching a stop, and when the unit starts from standstill.

In altre parole la soluzione prospettata, che prevede cuscinetti a fogli ad aria, risulta ottimale in condizione di funzionamento continuato, ma presenta ancora limiti nel caso in cui sia adottata su impianti (come le unità micro-turbogas ) che vengono avviate/ arrestate di frequente. In other words, the proposed solution, which provides for air sheet bearings, is optimal in conditions of continuous operation, but still has limits if it is adopted on systems (such as micro-turbogas units) that are started / stopped frequently. .

Per ridurre questo inconveniente , quindi , si rende necessario lubrificare (mediante lubrificazione solida ad elevata temperatura) i fogli ed il perno del cuscinetto ad aria. To reduce this inconvenience, therefore, it is necessary to lubricate (by means of solid lubrication at a high temperature) the sheets and the pin of the air bearing.

Considerando che i lubrificanti solidi convenzionali (grafite e bisolfuro di molibdeno) sono limitati a 150°C essi non risultano quindi adatti allo scopo e pertanto si utilizzano lubrificanti innovativi , quali pellicole polimeriche e rivestimenti speciali che riescono a lubrificare anche a temperature massime di circa 650°C. L'efficienza di tali lubrificanti innovativi è tuttavia ottimale ad elevata temperatura (avvio o fermata a macchina calda), ma degrada fortemente a temperatura ambiente (avvio a freddo). Considering that conventional solid lubricants (graphite and molybdenum disulfide) are limited to 150 ° C, they are therefore not suitable for the purpose and therefore innovative lubricants are used, such as polymeric films and special coatings that are able to lubricate even at maximum temperatures of about 650 ° C. However, the efficiency of these innovative lubricants is optimal at high temperatures (starting or stopping with the machine warm), but it degrades strongly at room temperature (cold starting).

Sebbene questa soluzione abbia in parte ridotto il problema, tuttavia la durata (specie nel caso delle unità micro-turbogas con frequenti avvii/fermate nella stessa giornata) risulta comunque complessivamente limitata . Un altro svantaggio dei cuscinetti a fogli risiede nei loro costi elevati. Although this solution has partially reduced the problem, however the duration (especially in the case of micro-turbogas units with frequent starts / stops on the same day) is in any case limited overall. Another disadvantage of foil bearings is their high cost.

Ancora un altro svantaggio risiede nella bassa capacità di carico (carico specifico 0.7 MPa contro 2 MPa dei cuscinetti volventi ) e dell'impossibilità di retrof it (installazione su unità già esistenti): 1'adozione dei cuscinetti a fogli ad aria comporta infatti una filosofia di progetto del tutto differente rispetto ai cuscinetti volventi (ad esempio, gli alberi dovranno essere di diametro superiore per assicurare la sufficiente velocità periferica che consenta adeguata portanza aerodinamica) . Yet another disadvantage lies in the low load capacity (specific load 0.7 MPa versus 2 MPa of rolling bearings) and the impossibility of retrofit (installation on existing units): the adoption of air sheet bearings in fact involves a philosophy of completely different design compared to rolling bearings (for example, the shafts must be of a larger diameter to ensure sufficient peripheral speed that allows adequate aerodynamic lift).

Si rende poi necessaria 1'adozione di procedure di avviamento rapido particolari per evitare un'usura intollerabile dei cuscinetti a fogli. It is then necessary to adopt particular quick start procedures to avoid intolerable wear of the sheet bearings.

Infine si consideri che i cuscinetti a fogli devono essere progettati appositamente per ogni specifica applicazione ; ciò rende la loro disponibilità complessivamente ridotta . Finally, consider that sheet bearings must be designed specifically for each specific application; this makes their overall availability reduced.

Da tutto guanto sopra emerge guindi come tali limiti si riverberino sul mancato sviluppo della tecnologia microturbogas , che invece potrebbe porsi come valida soluzione per la produzione autonoma di energia localizzata. From all the above it emerges therefore how these limits reverberate on the lack of development of microturbogas technology, which could instead be a valid solution for the autonomous production of localized energy.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE PURPOSE AND SUMMARY OF THE INVENTION

E' scopo generale della presente invenzione superare gli inconvenienti dell'arte nota. It is a general aim of the present invention to overcome the drawbacks of the known art.

In particolare, è scopo della presente invenzione guello di innalzare la vita dei cuscinetti , riducendo la necessità di manutenzione , così da contribuire alla diffusione di gueste macchine. In particular, the aim of the present invention is to increase the life of the bearings, reducing the need for maintenance, so as to contribute to the spread of these machines.

Ancora un altro scopo dell' invenzione è guello di distribuire le spinte in modo conveniente , così da caricare in modo conveniente i cuscinetti . Still another object of the invention is to conveniently distribute the thrusts so as to conveniently load the bearings.

Ancora un altro scopo dell' invenzione è guello di ripartire i carichi assiali sui cuscinetti , preferibilmente riducendo guello del cuscinetto di spinta principale . Still another object of the invention is to distribute the axial loads on the bearings, preferably by reducing the main thrust bearing.

E' inoltre scopo della presente invenzione guello di mettere a disposizione una unità micro-turbogas che sia di relativamente semplice realizzazione, robusta, affidabile e che necessiti di relativamente ridotta manutenzione . It is also an object of the present invention to provide a micro-turbogas unit which is relatively simple to manufacture, robust, reliable and requires relatively little maintenance.

Un altro scopo dell' invenzione è di mettere a disposizione una soluzione in grado di svincolare la progettazione fluodinamica della unità micro-turbogas dai vincoli di progetto usualmente presenti relativamente alle spinte assiali di turbina e compressore, così da consentire progettazioni tese al raggiungimento di migliori prestazioni e rendimenti . Questi ed ulteriori scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante una unità micro-turbogas che incorpora le caratteristiche delle rivendicazioni allegate , le guali formano parte integrante della presente descrizione . Another object of the invention is to provide a solution capable of freeing the fluid dynamic design of the micro-turbogas unit from the design constraints usually present in relation to the axial thrusts of the turbine and compressor, so as to allow designs aimed at achieving better performance. and yields. These and further objects of the present invention are achieved by means of a micro-turbogas unit which incorporates the characteristics of the attached claims, which form an integral part of the present description.

L'idea generale alla base della presente invenzione prevede di realizzare una unità micro-turbogas comprendente un telaio, una parte di compressore provvista almeno di una girante di compressore, una parte di turbina provvista almeno di una girante di turbina, le guali giranti di compressore e turbina sono collegate mediante un albero, in cui -secondo 1'invenzione- in almeno una condizione di funzionamento dell'unità la girante di turbina è direttamente accoppiata al telaio per scaricare su di esso tutto o parte di un carico assiale . The general idea underlying the present invention provides for the realization of a micro-turbogas unit comprising a frame, a compressor part provided with at least one compressor wheel, a turbine part provided with at least one turbine wheel, the same compressor wheels and turbine are connected by means of a shaft, in which - according to the invention - in at least one operating condition of the unit the turbine impeller is directly coupled to the frame to discharge all or part of an axial load onto it.

Secondo una forma esecutiva preferita la girante di turbina è accoppiata ad una prima estremità dell'albero mediante un primo accoppiamento scanalato, detto primo accoppiamento scanalato essendo un accoppiamento scanalato elicoidale , il guaie accoppiamento scanalato elicoidale termina in corrispondenza di uno spailamento anulare dell'albero, ed in cui la girante di compressore è accoppiata ad una seconda ed opposta estremità dell'albero mediante un secondo accoppiamento scanalato, essendo inoltre previsti : According to a preferred embodiment, the turbine impeller is coupled to a first end of the shaft by means of a first splined coupling, said first splined coupling being a helical splined coupling, the helical splined coupling sheath terminates at an annular shoulder of the shaft, and in which the compressor impeller is coupled to a second and opposite end of the shaft by means of a second splined coupling, further provided:

almeno un cuscinetto assiale principale ad aria comprendente primi e secondi elementi aerodinamici atti a generare un sostentamento aerodinamico dei primi elementi rispetto ai secondi elementi al di sopra di una velocità di rotazione di sostentamento relativa tra detti primi e secondi elementi , detti primi elementi essendo fissati alla girante di turbina e detti secondi elementi essendo fissati al telaio, così da scaricare su guest' ultimo una spinta assiale generata dalla girante di turbina in una condizione operativa in cui la girante di turbina ruota ad una velocità maggiore o uguale di detta velocità di sostentamento, at least one main axial air bearing comprising first and second aerodynamic elements adapted to generate an aerodynamic support of the first elements with respect to the second elements above a relative sustaining rotation speed between said first and second elements, said first elements being fixed to the turbine impeller and said second elements being fixed to the frame, so as to discharge on the last guest an axial thrust generated by the turbine impeller in an operating condition in which the turbine impeller rotates at a speed greater than or equal to said sustaining speed,

- un cuscinetto radiale/assiale ausiliario, interposto tra il telaio e 1' albero in prossimità dell' accoppiamento scanalato. - an auxiliary radial / axial bearing, interposed between the frame and the shaft near the splined coupling.

In guest o modo, in pratica, il cuscinetto assiale principale ad aria all' atto dell'autosostentamento (superata la velocità di sostentamento) scarica la spinta a telaio mentre , in condizioni di contatto di strisciamento (a basse velocità) , la scarica sull' albero. In guest or mode, in practice, the main axial air bearing at the act of self-supporting (exceeded the support speed) discharges the thrust to the frame while, in conditions of sliding contact (at low speeds), it discharges it on the tree.

In guesto modo il cuscinetto ad aria non risente più dell' usura data da ripetuti cicli di avvio/fermata . La presenza del cuscinetto ad aria, unitamente al modo in cui è montato e alla presenza dell' accoppiamento scanalato elicoidale (in cui le scanalature formano un'elica attorno all' albero) realizza, in pratica, una sorta di "partitore di carico". In this way the air bearing is no longer affected by the wear caused by repeated start / stop cycles. The presence of the air bearing, together with the way it is mounted and the presence of the helical splined coupling (in which the grooves form a helix around the shaft) practically creates a sort of "load divider".

Lo scopo del "partitore di carico" è di distribuire il carico assiale tra cuscinetto di spinta ausiliario e quello principale ad aria. The purpose of the "load divider" is to distribute the axial load between the auxiliary thrust bearing and the main air thrust bearing.

In sostanza, all'avvio e fino all'instaurarsi della portanza aerodinamica (ovvero al di sotto della velocità di sostentamento) , il carico assiale grava sul cuscinetto ausiliario mentre il cuscinetto di spinta principale lavora scarico e perciò con usura minima o nulla . Infatti, in tale condizione , la spinta della turbina è esercitata dalla girante di turbina sullo spai lamento dell'albero anziché sul cuscinetto ad aria. Attraverso lo spailamento e 1'albero tale spinta viene poi trasferita al supporto dell 'albero, cioè al cuscinetto ausiliario, come in un layout cuscinettirotore convenzionale . Basically, at start-up and until the aerodynamic lift is established (i.e. below the sustaining speed), the axial load weighs on the auxiliary bearing while the main thrust bearing works unloaded and therefore with minimal or no wear. In fact, in this condition, the thrust of the turbine is exerted by the turbine impeller on the shaft shoulder rather than on the air bearing. Through the shearing and the shaft, this thrust is then transferred to the shaft support, i.e. to the auxiliary bearing, as in a conventional rotor bearing layout.

Non appena viene raggiunta o superata la velocità di sostentamento, invece, il cuscinetto ad aria principale inizia a portare e sgrava quello ausiliario : lo spai lamento dell'albero infatti non riceve più spinta perché la girante di turbina, spinta dalla pressione aerodinamica generatasi nel meato del cuscinetto principale , si muove sull'accoppiamento scanalato e si allontana dallo spailamento . As soon as the sustaining speed is reached or exceeded, however, the main air bearing begins to carry and relieves the auxiliary one: the shaft shoveling in fact no longer receives thrust because the turbine impeller, pushed by the aerodynamic pressure generated in the meatus of the main bearing, moves on the spline coupling and away from the shoulder.

Si ottiene così un trasferimento di carico tra i due cuscinetti tale da evitare 1' usura del cuscinetto principale durante la fase di avvio/ fermata della macchina e da sgravare del carico assiale il cuscinetto ausiliario a regime. In this way a load transfer is obtained between the two bearings such as to avoid wear of the main bearing during the start / stop phase of the machine and to relieve the axial load of the auxiliary bearing when running.

In pratica, ed in altre parole , il profilo scanalato lato turbina funziona come partitore di carico in due modi : In practice, and in other words, the grooved profile on the turbine side works as a load divider in two ways:

- trasferimento di carico da condizioni di avvio/fermata a regime che implica uno spostamento micrometrico della girante sullo scanalato (per guesta funzione non occorre sia elicoidale) ; - load transfer from start / stop conditions to steady state which implies a micrometric displacement of the impeller on the spline (for this function it is not necessary to be helical);

- generazione di spinta assiale per effetto del momento esercitato dal fluido sulle pale della turbina (richiede che lo scanalato sia elicoidale); tale spinta modifica la ripartizione di carico a regime tra il cuscinetto principale ed ausiliario . - generation of axial thrust due to the moment exerted by the fluid on the turbine blades (it requires that the spline be helical); this thrust modifies the load distribution between the main and auxiliary bearing when running.

In realtà la maggiore funzionalità di partitore di carico è la seconda delle due modalità appena descritte ovvero guella espletata da uno scanalato elicoidale : in linea puramente teorica la prima modalità richiede uno spostamento assiale micrometrico (poiché il film aerodinamico è dell'ordine del micron). In reality, the greater functionality of the load divider is the second of the two modes just described, i.e. the one performed by a helical groove: purely theoretically, the first mode requires a micrometric axial displacement (since the aerodynamic film is of the order of a micron).

A regime , guaiora 1'accoppiamento scanalato non fosse elicoidale (ad esempio adottando uno scanalato a scanalature rettilinee anche lato turbina) , la spinta della turbina Ft graverebbe interamente sul cuscinetto assiale principale così come la spinta del compressore Fc sarebbe portata dal cuscinetto ausiliario. When running, if the splined coupling fails if it is not helical (for example by adopting a spline with rectilinear grooves also on the turbine side), the thrust of the turbine Ft would weigh entirely on the main axial bearing as well as the thrust of the compressor Fc would be carried by the auxiliary bearing.

Diversamente, utilizzando come attuatore l'accoppiamento scanalato elicoidale (lato turbina) secondo 1'invenzione, è possibile trasferire una porzione della spinta della turbina dal mozzo all'albero . In tal modo, gualsiasi ripartizione desiderata del carico assiale tra i due cuscinetti assiali (principale ed ausiliario) è ottenuta in funzione di un singolo parametro di progetto, ossia 1'angolo d'elica dello scanalato. Otherwise, using the helical splined coupling (turbine side) according to the invention as actuator, it is possible to transfer a portion of the turbine thrust from the hub to the shaft. In this way, any desired distribution of the axial load between the two axial bearings (main and auxiliary) is obtained as a function of a single design parameter, namely the helix angle of the spline.

Lo scanalato elicoidale funziona guindi come attuatore poiché il momento torcente esercitato dal fluido di processo sulla palettatura della girante si traduce in spinta assiale sull'albero come effetto del legame cinematico tra rotazione e spostamento assiale caratteristico della coppia elicoidale , dove tale spostamento dipende dall' angolo d'elica. The helical spline therefore functions as an actuator since the torque exerted by the process fluid on the impeller blades translates into axial thrust on the shaft as an effect of the kinematic link between rotation and axial displacement characteristic of the helical torque, where this displacement depends on the angle propeller.

In sintesi, per mezzo dell'accoppiamento scanalato si ottiene così il trasferimento di carico tra i due cuscinetti in modo da assicurare durate ottimali ai cuscinetti ausiliari assiali/radiali e ridurre i carichi sul cuscinetto assiale ad aria. In summary, by means of the splined coupling, the load transfer between the two bearings is obtained in order to ensure optimal life of the axial / radial auxiliary bearings and to reduce the loads on the axial air bearing.

Secondo una caratteristica vantaggiosa, dipendente o indipendente dalle precedenti , il secondo accoppiamento scanalato è un accoppiamento scanalato a denti dritti. Secondo una ulteriore caratteristica vantaggiosa, dipendente o indipendente dalle precedenti , il cuscinetto assiale principale ad aria è un cuscinetto a fogli ad aria, in cui i primi elementi aerodinamici comprendono una ralla e i secondi elementi aerodinamici comprendono una pluralità di fogli ondulati. According to an advantageous characteristic, dependent on or independent of the preceding ones, the second splined coupling is a splined coupling with straight teeth. According to a further advantageous characteristic, dependent on or independent of the preceding ones, the main axial air bearing is an air sheet bearing, in which the first aerodynamic elements comprise a fifth wheel and the second aerodynamic elements comprise a plurality of corrugated sheets.

Secondo una ulteriore caratteristica vantaggiosa, dipendente o indipendente dalle precedenti , According to a further advantageous characteristic, dependent on or independent of the previous ones,

- in condizione di turbina ferma o in rotazione ad una velocità inferiore alla velocità di sostentamento, la girante di turbina è in contatto con lo spailamento anulare dell' albero, così che una spinta assiale della girante di turbina è scaricata sull'albero attraverso lo spai lamento anulare; - in the condition of a stationary turbine or rotating at a speed lower than the running speed, the turbine impeller is in contact with the annular shoulder of the shaft, so that an axial thrust of the turbine impeller is discharged onto the shaft through the blade ring wail;

- in condizione di turbina in rotazione ad una velocità uguale o superiore alla velocità di sostentamento, la girante di turbina è allontanata dallo spallamento anulare dell' albero, così che una spinta assiale della girante di turbina è scaricata in parte sul telaio attraverso il cuscinetto assiale principale ad aria ed in parte sull'albero attraverso 1' accoppiamento scanalato elicoidale . - in the condition of the turbine rotating at a speed equal to or greater than the running speed, the turbine wheel is moved away from the annular shoulder of the shaft, so that an axial thrust of the turbine wheel is partially discharged on the frame through the axial bearing main by air and partly on the shaft through the helical splined coupling.

Secondo una ulteriore caratteristica vantaggiosa, dipendente o indipendente dalle precedenti , l'unità comprende inoltre un terzo cuscinetto radiale accoppiato tra il telaio e 1'albero in prossimità del cuscinetto assiale principale , più preferibilmente posto tra compressore e turbina al fine di ridurne la temperatura di funzionamento . According to a further advantageous characteristic, dependent on or independent of the preceding ones, the unit further comprises a third radial bearing coupled between the frame and the shaft in proximity to the main axial bearing, more preferably positioned between the compressor and the turbine in order to reduce its temperature. operation.

L'accoppiamento del terzo cuscinetto radiale con il telaio è un accoppiamento a pattino, in cui il terzo cuscinetto radiale è libero di scorrere assialmente rispetto al telaio, così da permettere una dilatazione assiale dell' albero. The coupling of the third radial bearing with the frame is a sliding coupling, in which the third radial bearing is free to slide axially with respect to the frame, so as to allow axial expansion of the shaft.

Secondo una ulteriore caratteristica vantaggiosa, dipendente o indipendente dalle precedenti, almeno uno tra il cuscinetto radiale/assiale ausiliario ed il terzo cuscinetto radiale (se previsto) comprende un cuscinetto volvente . According to a further advantageous characteristic, dependent on or independent of the preceding ones, at least one of the auxiliary radial / axial bearing and the third radial bearing (if provided) comprises a rolling bearing.

Secondo la caratteristica gui sopra il cuscinetto volvente è preferibilmente un cuscinetto a doppio effetto e più preferibilmente comprende una pluralità di cuscinetti obliqui a singola corona di sfere. According to the above characteristic, the rolling bearing is preferably a double direction bearing and more preferably comprises a plurality of single row angular contact ball bearings.

In alternativa o in combinazione , almeno uno tra il cuscinetto radiale/assiale ausiliario ed il terzo cuscinetto radiale (se presente) comprende un cuscinetto magnetico . Alternatively or in combination, at least one of the auxiliary radial / axial bearing and the third radial bearing (if present) comprises a magnetic bearing.

Secondo una ulteriore caratteristica vantaggiosa, 1'angolo d' elica β dell'accoppiamento scanalato elicoidale è compreso tra 70° ed 80°, preferibilmente tra 75° ed 85° e ancora più preferibilmente circa pari ad 82°. According to a further advantageous characteristic, the helix angle β of the helical splined coupling is comprised between 70 ° and 80 °, preferably between 75 ° and 85 ° and even more preferably approximately equal to 82 °.

Con riferimento adesso alla distinzione tra lay-out convenzionale e moderno sopra indicata, altri vantaggi che conseguono dalla presente invenzione sono riassunti gui appresso: With reference now to the distinction between conventional and modern lay-out indicated above, other advantages resulting from the present invention are summarized below:

- il cuscinetto a fogli nella soluzione dell'invenzione non ha più alcun limite sui cicli di avvio-arresto; questo è un considerevole vantaggio in confronto al layout moderno; - the sheet bearing in the solution of the invention no longer has any limit on the start-stop cycles; this is a considerable advantage compared to the modern layout;

- i cuscinetti volventi nella soluzione dell'invenzione hanno vita ed affidabilità estremamente superiori a quelle di un layout convenzionale ; - the rolling bearings in the solution of the invention have an extremely higher life and reliability than those of a conventional layout;

- il sistema di sopporto nella soluzione dell'invenzione ha minori problemi di temperatura, rispetto al layout convenzionale , infatti , il cuscinetto volvente più sollecitato ha carichi inferiori e , trovandosi lato compressore , subisce in modo minore i problemi di temperatura a valle della camera di combustione e a monte della turbina; il cuscinetto assiale principale a fogli, sistemato in una zona più calda, sopporta normalmente temperature molto più elevate dei cuscinetti volventi (si ricorda che i cuscinetti a fogli sopportano oltre 300 °C in più dei cuscinetti volventi e tale margine può essere ulteriormente incrementato tenuto conto che 1'innovazione rende irrilevante il ruolo del rivestimento tribologico nei cuscinetti a fogli); - the support system in the solution of the invention has fewer temperature problems, compared to the conventional layout, in fact, the most stressed rolling bearing has lower loads and, being on the compressor side, suffers less temperature problems downstream of the chamber combustion and upstream of the turbine; the main thrust sheet bearing, placed in a warmer area, normally bears much higher temperatures than rolling bearings (remember that sheet bearings withstand over 300 ° C more than rolling bearings and this margin can be further increased taking into account that innovation makes the role of the tribological coating in sheet bearings irrelevant);

- 1'unità (o macchina) nella soluzione dell'invenzione può funzionare in condizioni fluodinamiche ottimali , poiché i cuscinetti costituiscono un limite meno costrittivo per le spinte esercitate da turbina e compressore; - the unit (or machine) in the solution of the invention can operate in optimal fluid dynamic conditions, since the bearings constitute a less restrictive limit for the thrusts exerted by the turbine and compressor;

- i cuscinetti radiali nella soluzione dell'invenzione non sono di tipo radente (idrodinamici o aerodinamici ), come nel layout rotore-cuscinetti moderno totalmente basato su cuscinetti a fogli ad aria, conseguentemente , la dinamica del rotore non è interessata dai fenomeni di instabilità che affliggono i cuscinetti radenti, noti in letteratura con il nome di whirl , whip e pneumatic hammering, su cui non ci si dilunga gui oltre, rimandando a testi scientifici per opportuno approfondimento; - the radial bearings in the solution of the invention are not of the sliding type (hydrodynamic or aerodynamic), as in the modern rotor-bearing layout totally based on air sheet bearings, consequently, the dynamics of the rotor is not affected by the instability phenomena that they afflict sliding bearings, known in literature with the name of whirl, whip and pneumatic hammering, on which we do not dwell further on, referring to scientific texts for appropriate study;

rispetto all'usuale accoppiamento per interferenza delle giranti di turbina e compressore sull'albero, gli accoppiamenti scanalati proposti nella soluzione dell' invenzione consentono un agevole smontaggio delle giranti e dei cuscinetti a fini di revisione e manutenzione ; tale caratteristica è particolarmente interessante per una macchina piccola come un'unità micro-turbogas ; compared to the usual coupling by interference of the turbine and compressor impellers on the shaft, the splined couplings proposed in the solution of the invention allow easy disassembly of the impellers and bearings for overhaul and maintenance purposes; this feature is particularly interesting for a small machine such as a micro-turbogas unit;

- è possibile il retrofit (o aggiornamento) del layout convenzionale, che si differenzia da guello della soluzione dell'invenzione per la mancanza degli accoppiamenti scanalati e del cuscinetto di spinta a fogli ; - it is possible to retrofit (or update) the conventional layout, which differs from that of the solution of the invention due to the lack of the splined couplings and the sheet thrust bearing;

- nella soluzione dell'invenzione, in fase progettuale, 1'adozione dell' accoppiamento scanalato elicoidale consente di distribuire in modo conveniente i carichi agenti sui cuscinetti più sollecitati tramite un unico parametro (l'angolo d'elica); guesto grado di libertà di progetto non è disponibile nello schema convenzionale noto; - in the solution of the invention, in the design phase, the adoption of the helical grooved coupling allows to conveniently distribute the loads acting on the most stressed bearings by means of a single parameter (the helix angle); this degree of design freedom is not available in the known conventional scheme;

- nella soluzione dell'invenzione non è necessario un dispositivo per 1'avviamento rapido dell'unità e di materiali per la lubrificazione solida per evitare 1'usura del cuscinetto a fogli, indispensabili nel layout moderno . - in the solution of the invention it is not necessary a device for the rapid starting of the unit and of materials for the solid lubrication to avoid the wear of the sheet bearing, indispensable in the modern layout.

- la soluzione dell'invenzione include varianti basate su un sopporto dell' albero differente dai cuscinetti volventi; ad esempio sono possibili realizzazioni "oilfree" dell'innovazione proposta, basata sull'adozione di cuscinetti magnetici (attivi o combinati attivi-passivi) a sopporto dell'albero, oltre che del cuscinetto assiale principale a fogli; - the solution of the invention includes variants based on a shaft support different from rolling bearings; for example, "oil-free" embodiments of the proposed innovation are possible, based on the adoption of magnetic bearings (active or combined active-passive) supporting the shaft, as well as the main axial sheet bearing;

- la realizzazione "oil-free" della presente invenzione ha prestazioni attese superiori al layout noto, in guanto non avrebbe la vita limitata dal numero di cicli di avvio/ fermata o da gualsiasi altro problema di usura e avrebbe attriti ancora inferiori ; - the "oil-free" embodiment of the present invention has expected performances higher than the known layout, since it would not have the life limited by the number of start / stop cycles or by any other wear problem and would have even lower friction;

la realizzazione "oil-free" della soluzione dell' invenzione ha prestazioni attese superiori ad un layout magnetico basato indifferentemente su cuscinetti attivi o combinati attivi -passivi ; infatti, poiché la porzione di carico (assiale ) maggiore è portata dal cuscinetto a fogli , 1'assorbimento di corrente è inferiore rispetto al layout magnetico; the "oil-free" realization of the solution of the invention has higher expected performances than a magnetic layout based indifferently on active or combined active-passive bearings; in fact, since the largest (axial) load portion is carried by the sheet bearing, the current absorption is lower than in the magnetic layout;

- le prestazioni della soluzione dell' invenzione sono superiori alle soluzioni note e giustificano pienamente eventuali costi più elevati; - the performances of the solution of the invention are superior to the known solutions and fully justify any higher costs;

i costi attesi nell'attuazione della soluzione dell' invenzione sono inferiori a quelli delle soluzioni note con cuscinetti ad aria a fronte di prestazioni comparabili e migliori nelle condizioni di funzionamento più comuni; infatti le durate sono superiori se 1'unità viene riavviata di frequente, inferiori (solo in caso di utilizzo di cuscinetti volventi) se il funzionamento è prevalentemente a regime, laddove la prima situazione è più usuale per una microturbina. the costs expected in the implementation of the solution of the invention are lower than those of the known solutions with air bearings in the face of comparable and better performances in the most common operating conditions; in fact, the durations are longer if the unit is restarted frequently, shorter (only in the case of using rolling bearings) if the operation is predominantly in steady state, whereas the first situation is more usual for a microturbine.

la realizzazione "oil-free" nella soluzione dell' invenzione consente di incorporare un sistema di controllo della dinamica del rotore tramite 1'adozione di cuscinetti magnetici attivi a supporto dell'albero, cosa impossibile nel layout moderno. the "oil-free" realization in the solution of the invention allows to incorporate a rotor dynamics control system through the adoption of active magnetic bearings to support the shaft, which is impossible in the modern layout.

Ulteriori caratteristiche vantaggiose sono oggetto delle allegate rivendicazioni , che si intendono parte integrante della presente descrizione . Further advantageous characteristics are the subject of the attached claims, which are intended as an integral part of the present description.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1/ invenzione verrà descritta gui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione dell' invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari . The invention will be described below with reference to non-limiting examples, provided for explanatory and non-limiting purposes in the annexed drawings. These drawings illustrate different aspects and embodiments of the invention and, where appropriate, reference numerals illustrating similar structures, components, materials and / or elements in different figures are indicated by similar reference numerals.

Nelle figure allegate : In the attached figures:

Figura 1 illustra uno schema di una unità micro-turbogas secondo 1'invenzione; Figure 1 illustrates a diagram of a micro-turbogas unit according to the invention;

Figura 2 illustra un grafico inerente alla scelta di parametri di realizzazione della unità micro-turbogas secondo 1'invenzione; Figure 2 illustrates a graph relating to the choice of manufacturing parameters of the micro-turbogas unit according to the invention;

Figura 3 illustra -in prospettiva- un complesso di girante di compressore / albero / girante di turbina della unità micro-turbogas secondo 1'invenzione in condizione parzialmente disassemblata; Figure 3 shows - in perspective - a compressor wheel / shaft / turbine wheel assembly of the micro-turbogas unit according to the invention in partially disassembled condition;

Figura 4 illustra -in sezione longitudinale- la girante di turbina e parte dell'albero del complesso di fig. 3; Figura 5 illustra -in prospettiva- una parte dell'albero di fig. 4 provvista di scanalatura elicoidale; Figure 4 shows - in longitudinal section - the turbine impeller and part of the shaft of the assembly of fig. 3; Figure 5 shows - in perspective - a part of the shaft of fig. 4 provided with helical groove;

Figure 6 e 7 illustrano -in sezione parziale- parte dell' albero e la girante di turbina delle figure precedenti in due condizioni , rispettivamente con girante di turbina ferma e con girante di turbina in rotazione a velocità di regime; Figures 6 and 7 show - in partial section - part of the shaft and the turbine wheel of the preceding figures in two conditions, respectively with the turbine wheel stationary and with the turbine wheel rotating at steady speed;

Figura 8 illustra -in sezione parziale- parte dell' albero e la girante di compressore delle figure precedenti ; Figure 8 illustrates - in partial section - part of the shaft and the compressor impeller of the previous figures;

Figure 9-11 illustrano dettagli di un cuscinetto ad aria delle figure precedenti ; Figures 9-11 illustrate details of an air bearing of the preceding figures;

Figura 12 illustra una vista in prospettiva in parziale trasparenza della girante di turbina inclusiva di un terzo cuscinetto . Figure 12 illustrates a partial transparency perspective view of the turbine wheel including a third bearing.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Mentre 1'invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative , alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte gui di seguito in dettaglio. While the invention is susceptible of various modifications and alternative constructions, some preferred embodiments are shown in the drawings and will be described below in detail.

Si deve intendere , comungue , che non vi è alcuna intenzione di limitare l'invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, essa intende coprire tutte le modifiche , costruzioni alternative , ed equivalenti che ricadano nell'ambito dell' invenzione come definito nelle rivendicazioni . L'uso di "ad esempio", "ecc", "oppure" indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato . It is to be understood, however, that there is no intention to limit the invention to the specific embodiment illustrated, but, on the contrary, it is intended to cover all modifications, alternative constructions, and equivalents that fall within the scope of the invention as defined in the claims. The use of "for example", "etc", "or" indicates non-exclusive alternatives without limitation unless otherwise indicated.

L'uso di "include" significa "include, ma non limitato a" a meno che non altrimenti indicato. Use of "include" means "includes, but not limited to" unless otherwise indicated.

Indicazioni guali "verticale" ed "orizzontale" , "superiore" ed "inferiore" (in assenza di altre indicazioni) vanno lette con riferimento alle condizioni di montaggio (o operative) e riferendosi alla normale terminologia in uso nel linguaggio corrente , dove "verticale" indica una direzione sostanzialmente parallela a quella del vettore forza di gravità "g" ed orizzontale una direzione ad essa perpendicolare. Indications such as "vertical" and "horizontal", "upper" and "lower" (in the absence of other indications) must be read with reference to the mounting (or operating) conditions and referring to the normal terminology used in current language, where "vertical "indicates a direction substantially parallel to that of the force vector of gravity" g "and a horizontal direction perpendicular to it.

Con riferimento alle figure allegate , in esse si nota una unità micro-turbogas 1 comprendente un telaio 2, una parte di compressore 3 provvisto almeno di una girante di compressore 31, una parte di turbina 4 provvista almeno di una girante di turbina 41. With reference to the attached figures, they show a micro-turbogas unit 1 comprising a frame 2, a compressor part 3 provided with at least one compressor wheel 31, a turbine part 4 provided with at least one turbine wheel 41.

In accordo ad una caratteristica generale dell' invenzione , in almeno una condizione di funzionamento dell'unità 1 la girante di turbina 41 è direttamente accoppiato al telaio per scaricare su di esso tutto o parte di un carico assiale. According to a general characteristic of the invention, in at least one operating condition of the unit 1 the turbine impeller 41 is directly coupled to the frame to discharge all or part of an axial load onto it.

Con il termine "direttamente accoppiato" si intende indicare che non è accoppiato solo, o unicamente , al telaio, mediante 1'albero 5. The term "directly coupled" is intended to indicate that it is not coupled only, or solely, to the frame, by means of the shaft 5.

In particolare , secondo la forma esecutiva delle figure allegate, la girante di compressore 31 e quella di turbina 41 sono collegate mediante un albero 5: la girante di turbina 41 è accoppiata ad una prima estremità dell'albero 5 mediante un primo accoppiamento scanalato, che nell'esempio è elicoidale 51, il quale termina in corrispondenza di uno spallamento 53 anulare dell'albero 5. In particular, according to the embodiment of the attached figures, the compressor impeller 31 and the turbine wheel 41 are connected by means of a shaft 5: the turbine impeller 41 is coupled to a first end of the shaft 5 by means of a first splined coupling, which in the example it is helical 51, which ends at an annular shoulder 53 of shaft 5.

In linea con quanto sopra discusso, limitando i vantaggi dell' invenzione e la sua versatilità, è possibile anche utilizzare in luogo dello scanalato elicoidale anche un primo accoppiamento scanalato dritto . In line with what has been discussed above, by limiting the advantages of the invention and its versatility, it is also possible to use a first straight splined coupling instead of the helical spline.

La girante di compressore 31 è invece accoppiata ad una seconda -ed opposta- estremità dell'albero 5 mediante un secondo accoppiamento scanalato 52, in questo esempio non limitativo a denti dritti. The compressor impeller 31 is instead coupled to a second - and opposite - end of the shaft 5 by means of a second splined coupling 52, in this non-limiting example with straight teeth.

Gli accoppiamenti scanalati 51 e 52 sono liberi, non forzati , ovvero consentono un movimento relativo delle parti lungo le scanalature. The splined couplings 51 and 52 are free, not forced, i.e. they allow relative movement of the parts along the grooves.

Ambedue possono essere realizzati con profili sia a fianchi paralleli sia a evolvente. Both can be made with profiles with both parallel sides and involute.

A tal fine i diametri sono scelti per non dar luogo a interferenza ed in particolare , con riferimento alla norma DIN 5480 attualmente in vigore , sono preferibilmente di tipo H/e, H/f, H/h. For this purpose, the diameters are chosen so as not to cause interference and in particular, with reference to the DIN 5480 standard currently in force, they are preferably of type H / e, H / f, H / h.

Per quanto concerne lo scanalato lato turbina, poi, è preferibilmente prevista la possibilità di effettuare un movimento assiale micrometrico mediante la previsione di un opportuno gioco assiale per consentire alla girante ed alla ralla ad essa solidale di staccarsi dallo spallamento anulare nel passaggio da condizioni di avvio a condizioni di regime. With regard to the grooved on the turbine side, then, the possibility of carrying out a micrometric axial movement is preferably provided by providing an appropriate axial clearance to allow the impeller and the washer integral with it to detach from the annular shoulder in the transition from start-up conditions. under steady state conditions.

Come si nota dalle figure allegate è inoltre previsto almeno un cuscinetto assiale principale ad aria 61. Tale cuscinetto 61 comprende primi 611 e secondi 612 elementi aerodinamici atti a generare un sostentamento aerodinamico dei primi elementi 611 rispetto ai secondi elementi 612 (o viceversa, in modo equivalente ) al raggiungimento o superamento di una velocità di rotazione di sostentamento relativa tra i primi ed i secondi elementi 611,612. As can be seen from the attached figures, at least one main axial air bearing 61 is also provided. This bearing 61 comprises first 611 and second 612 aerodynamic elements able to generate an aerodynamic support of the first elements 611 with respect to the second elements 612 (or vice versa, so equivalent) upon reaching or exceeding a relative sustaining rotation speed between the first and second elements 611,612.

I primi elementi 611 sono fissati alla girante di turbina 41 mentre i secondi elementi 612 sono fissati al telaio 2, così da scaricare su guest'ultimo una spinta assiale generata dalla girante turbina 41 in una condizione operativa in cui la girante turbina ruota ad una velocità maggiore o uguale di detta velocità di sostentamento . L'unità 1 comprende poi il cuscinetto radiale/ assiale ausiliario 62 , interposto tra il telaio 2 e 1'albero 5 in prossimità dell'accoppiamento scanalato 52. The first elements 611 are fixed to the turbine wheel 41 while the second elements 612 are fixed to the frame 2, so as to discharge on the latter an axial thrust generated by the turbine wheel 41 in an operating condition in which the turbine wheel rotates at a speed greater than or equal to said livelihood rate. The unit 1 then comprises the auxiliary radial / axial bearing 62, interposed between the frame 2 and the shaft 5 near the splined coupling 52.

In senso generale, quindi, il cuscinetto radiale/assiale 62 (preferibilmente obliquo a sfere) è posto dal lato compressore, come supporto assiale ausiliario e radiale, mentre il cuscinetto di spinta ad aria 61, preferibilmente a fogli, è posto dal lato turbina, come supporto assiale principale . In a general sense, therefore, the radial / axial bearing 62 (preferably angular contact ball bearings) is placed on the compressor side, as an auxiliary and radial axial support, while the air thrust bearing 61, preferably in sheets, is placed on the turbine side, as the main axial support.

I collegamenti con 1'albero 5 dei rotori 31, 41 del compressore e della turbina sono rispettivamente un accoppiamento scanalato convenzionale 52 (scanalature con generatrici rettilinee ) ed uno scanalato 51 elicoidale (scanalature con generatrici elicoidali ). Quest'ultimo funziona, come si vedrà nel dettaglio dopo, da "partitore di spinta" tra il cuscinetto assiale principale 61 e quello ausiliario 62 o radiale/assiale . II cuscinetto 61 ha i pattini o fogli 612 fissi a telaio e la ralla 611 solidale con la girante di turbina 41; la loro posizione relativa ed il precarico dei fogli è regolabile tramite spessori . The connections with the shaft 5 of the rotors 31, 41 of the compressor and of the turbine are respectively a conventional splined coupling 52 (grooves with rectilinear generators) and a helical spline 51 (grooves with helical generators). The latter functions, as will be seen in detail below, as a "thrust divider" between the main thrust bearing 61 and the auxiliary bearing 62 or radial / axial. The bearing 61 has the shoes or sheets 612 fixed to the frame and the fifth wheel 611 integral with the turbine impeller 41; their relative position and the preload of the sheets can be adjusted by means of shims.

Tale cuscinetto assiale principale 61 a regime scarica la spinta (preferibilmente la porzione più rilevante ) direttamente a telaio 2 (e non sull'albero 5). This main axial bearing 61 at steady state discharges the thrust (preferably the most relevant portion) directly to the frame 2 (and not onto the shaft 5).

In questo modo, la vita media dei cuscinetti 62, limitata per motivi di fatica quasi esclusivamente dal carico assiale (che in condizioni di rendimento ottimale della macchina risulta un ordine di grandezza più grande di quello radiale ), risulta molto maggiore della durata della macchina, poiché a regime la porzione maggiore di carico assiale (proveniente dalla turbina) è sopportata dal cuscinetto di spinta ad aria 61 e scaricata direttamente a telaio 2. In this way, the average life of the bearings 62, limited for reasons of fatigue almost exclusively by the axial load (which in conditions of optimum performance of the machine is an order of magnitude greater than the radial one), is much greater than the life of the machine, since at steady state the greater portion of the axial load (coming from the turbine) is supported by the air thrust bearing 61 and discharged directly to the frame 2.

Tale porzione è peraltro variabile ed è stabilita in fase di progetto con la scelta dell'angolo d'elica dello scanalato 51. This portion is however variable and is established in the design phase with the choice of the helix angle of the spline 51.

Inoltre , la vita di tale cuscinetto assiale principale 61, limitata solo dal numero di avviamenti/fermate della macchina, risulta praticamente infinita, poiché il carico viene portato interamente dal cuscinetto obliguo 62 fino alla velocità di formazione della pellicola d'aria dinamizzata in virtù del posizionamento a telaio 2 dei pattini o fogli 612. Infatti quando il cuscinetto a fogli 61 non ha portanza aerodinamica, la spinta della girante di turbina 41 agisce sullo spai lamento 53 dell' albero 5. Furthermore, the life of this main axial bearing 61, limited only by the number of starts / stops of the machine, is practically infinite, since the load is carried entirely by the obligatory bearing 62 up to the speed of formation of the dynamized air film by virtue of the positioning of the shoes or sheets 612 on the frame 2. In fact, when the sheet bearing 61 has no aerodynamic lift, the thrust of the turbine impeller 41 acts on the shoulder 53 of the shaft 5.

In seguito alla generazione della pellicola d'aria, invece, il suo spessore micrometrico fa spostare la ralla 611 della stessa quantità in modo che il contatto sullo spai lamento 53 non avviene più e 1'unico trasferimento di carico assiale all' albero 5 avviene attraverso le superfici dell'accoppiamento scanalato elicoidale 51, in funzione dell' angolo d'elica di progetto. On the other hand, following the generation of the air film, its micrometric thickness causes the washer 611 to move by the same amount so that the contact on the shoulder 53 no longer occurs and the only transfer of axial load to the shaft 5 occurs through the surfaces of the helical splined coupling 51, as a function of the design helix angle.

Volendo ora addentrarsi -in modo più analitico- nella descrizione delle forze agenti nelle varie fasi di funzionamento dell'unità 1 appena descritta (ancorché nei suoi tratti generali ), il posizionamento del cuscinetto assiale principale 61 è tale da scaricare la spinta della turbina: Wanting now to go into - in a more analytical way - the description of the forces acting in the various operating phases of the unit 1 just described (albeit in its general features), the positioning of the main axial bearing 61 is such as to discharge the thrust of the turbine:

a telaio 2 attraverso il cuscinetto aerodinamico 61 al raggiungimento e/o superamento della velocità di sostentamento to frame 2 through the aerodynamic bearing 61 upon reaching and / or exceeding the sustaining speed

sull' albero 5 (e successivamente a telaio attraverso il cuscinetto obliquo 62) a velocità di rotazione della turbina inferiori a quella di sostentamento (ovvero a basse velocità, durante le fasi di avvio e fermata). In questo modo il cuscinetto ad aria 61 non risente più dell'usura determinata nelle fasi di avvio/fermata, come era invece nelle soluzioni note. on the shaft 5 (and subsequently to the frame through the angular bearing 62) at turbine rotation speeds lower than the sustaining speed (i.e. at low speeds, during the start and stop phases). In this way, the air bearing 61 is no longer affected by the wear caused in the start / stop phases, as it was instead in known solutions.

Nel caso preferito, ma non limitativo, il cuscinetto assiale principale ad aria 61 è un cuscinetto a fogli ad aria, in cui i primi elementi aerodinamici 611 comprendono una ralla e i secondi elementi aerodinamici 612 comprendono una pluralità di pattini costituiti da una pluralità di fogli ondulati 614 ed un foglio superiore liscio 613, come mostrato nelle fig. 9-11 . I secondi elementi aereodinamici 612 sono fissati a telaio come mostrato in fig. 4, mentre la ralla risulta posizionata sulla parte posteriore della girante di turbina 41, in modo che le superfici opposte della coppia cinematica radente (ossia i fogli superiori dei pattini e la superficie della ralla), sono separati da un certo gioco ca. In the preferred but non-limiting case, the main air thrust bearing 61 is an air sheet bearing, in which the first aerodynamic elements 611 comprise a fifth wheel and the second aerodynamic elements 612 comprise a plurality of shoes consisting of a plurality of corrugated sheets 614 and a smooth top sheet 613, as shown in FIGS. 9-11. The second aerodynamic elements 612 are fixed to the frame as shown in fig. 4, while the fifth wheel is positioned on the rear part of the turbine impeller 41, so that the opposite surfaces of the sliding kinematic pair (i.e. the upper sheets of the shoes and the surface of the fifth wheel), are separated by a certain clearance approx.

In una forma esecutiva preferita è previsto inoltre un distanziale 21, visibile in fig. 4, che consente la regolazione di tale gioco ca al fine di assicurare il funzionamento ottimale del cuscinetto a fogli. In a preferred embodiment, a spacer 21 is also provided, visible in fig. 4, which allows the adjustment of this clearance ca in order to ensure optimum operation of the sheet bearing.

In particolare , a questo scopo, le due superfici della coppia del cuscinetto a fogli ad aria (i fogli superiori lisci 613 dei pattini e la ralla 611) risultano preferibilmente a contatto quando la velocità di rotazione della turbina è zero (unità 1 ferma), in modo che 1'elasticità dei fogli ondulati eserciti un certo (leggero) precarico . In particular, for this purpose, the two surfaces of the pair of the air sheet bearing (the upper smooth sheets 613 of the shoes and the washer 611) are preferably in contact when the rotation speed of the turbine is zero (unit 1 stopped), so that the elasticity of the corrugated sheets exerts a certain (slight) preload.

II gioco ca è previsto, quindi (leggermente ) negativo (la struttura costituita dai fogli 612 risulta elastica) . The ca clearance is foreseen, therefore (slightly) negative (the structure constituted by the sheets 612 is elastic).

Di conseguenza, non ci sarà alcuna usura sensibile alla fermata e all'avvio della macchina, poiché durante queste fasi la spinta agente sul cuscinetto assiale principale è molto leggera, ovvero nessun carico esterno si aggiunge al precarico dei fogli 612. Consequently, there will be no sensitive wear when stopping and starting the machine, since during these phases the thrust acting on the main axial bearing is very light, i.e. no external load is added to the preload of the 612 sheets.

Infatti, quando il cuscinetto a fogli 61 non ha alcuna capacità di carico aerodinamico (al di sotto della velocità di sostentamento) , la spinta della girante di turbina 41 agisce sullo spailamento 53 dell' albero 5. Diversamente , dopo che si forma la pellicola di aria e si genera la relativa pressione aerodinamica, il suo spessore micrometrico fa spostare della stessa quantità la ralla 611 e la girante di turbina 41 in direzione assiale (con riferimento all' albero) cosicché il contatto tra il mozzo della girante di turbina 41 e lo spai lamento 53 non si verifica più. In fact, when the sheet bearing 61 has no aerodynamic load capacity (below the sustaining speed), the thrust of the turbine wheel 41 acts on the shoulder 53 of the shaft 5. Otherwise, after the film is formed air and the relative aerodynamic pressure is generated, its micrometric thickness causes the washer 611 and the turbine wheel 41 to move by the same amount in the axial direction (with reference to the shaft) so that the contact between the hub of the turbine wheel 41 and the spaiamento 53 no longer occurs.

Di conseguenza, in condizioni nominali e a partire da un regime di rotazione sufficiente per 1'autosostentamento aerodinamico (superiore alla velocità di sostentamento), il solo trasferimento di carico assiale dalla girante di turbina 4 1 all' albero 5 può avvenire attraverso 1 'accoppiamento scanalato 51 elicoidale , in funzione dell 'angolo d'elica di progetto . Consequently, under nominal conditions and starting from a rotation speed sufficient for aerodynamic self-support (higher than the supporting speed), only the transfer of axial load from the turbine impeller 4 1 to the shaft 5 can take place through the splined coupling. 51 helical, depending on the project helix angle.

Tale accoppiamento scanalato elicoidale 51 agisce infatti come "partitore di spinta" tra il cuscinetto assiale principale 61 e quello ausiliario 62. This helical splined coupling 51 acts as a "thrust divider" between the main thrust bearing 61 and the auxiliary bearing 62.

Il principio di funzionamento del "partitore di spinta", ovvero la legge di ripartizione del carico, è illustrato nel seguito. The operating principle of the "thrust divider", that is the law of load sharing, is illustrated below.

E' stata determinata la legge di ripartizione del carico seguita a regime dalla coppia di profili scanalati elicoidali , utilizzata come attuatore meccanico oltre che come semplice organo di accoppiamento . The law of distribution of the load has been determined, followed in steady state by the pair of helical splined profiles, used as a mechanical actuator as well as a simple coupling member.

Con riferimento allo schema di fig. 1 in esso sono schematizzate le forze agenti in condizioni nominali sui componenti della girante in accordo con le modifiche apportate dall' innovazione . With reference to the diagram of fig. 1 shows the forces acting in nominal conditions on the components of the impeller in accordance with the modifications brought about by the innovation.

I vettori Ft e Fc rappresentano la spinta Ft della turbina e la spinta Fc del compressore, rispettivamente, generate dalla pressione del fluido sulle relative pale. Sul cuscinetto 61 agisce la forza Ft-R. The vectors Ft and Fc represent the thrust Ft of the turbine and the thrust Fc of the compressor, respectively, generated by the pressure of the fluid on the relative blades. The force Ft-R acts on bearing 61.

I vettori R indicano le azioni e reazioni (eguali) che la girante della turbina esercita sull'albero attraverso 1'accoppiamento scanalato elicoidale 51. The vectors R indicate the (equal) actions and reactions that the turbine impeller exerts on the shaft through the helical splined coupling 51.

La forza assiale Fc-R rappresenta la spinta cui è soggetto 1'albero e che verrà sopportata dal cuscinetto assiale ausiliario 62. The axial force Fc-R represents the thrust to which the shaft is subjected and which will be supported by the auxiliary thrust bearing 62.

II momento Mt , infine, è la coppia resistente della turbina, dovuta all' azione delle pressioni sulle pale della stessa. Finally, the moment Mt is the resistant torque of the turbine, due to the action of the pressures on the turbine blades.

Gli inventori hanno analizzato i vari scenari al variare dell'angolo di elica β dell'accoppiamento 51 tra 45° e 90°, in cui il secondo valore corrisponde ad uno scanalato a generatrici rettilinee (denti dritti). The inventors have analyzed the various scenarios as the helix angle β of coupling 51 varies between 45 ° and 90 °, in which the second value corresponds to a groove with straight generatrices (straight teeth).

Si noti innanzitutto, che il trasferimento di carico R dal mozzo all'albero attraverso le superfici scanalate dovuto alla spinta assiale Ft è di modesta entità (nell' ordine del 5 % della spinta per β=45°, cui corrisponde il massimo trasferimento) ed è dovuto alla deformazione dei membri della coppia. First of all, it should be noted that the load transfer R from the hub to the shaft through the grooved surfaces due to the axial thrust Ft is modest (in the order of 5% of the thrust for β = 45 °, which corresponds to the maximum transfer) and it is due to the deformation of the members of the couple.

In altre parole, se mozzo e albero fossero perfettamente rigidi, la spinta della turbina non sarebbe trasmessa in nessuna misura all' albero attraverso le superfici scanalate , ma si scaricherebbe interamente sul cuscinetto assiale principale 61 . In other words, if the hub and shaft were perfectly rigid, the thrust of the turbine would not be transmitted in any measure to the shaft through the splined surfaces, but would be discharged entirely on the main thrust bearing 61.

In secondo luogo, il trasferimento di carico R dal mozzo all' albero attraverso le superfici scanalate dovuto al momento Mt è regolato dalla seguente legge valida per membri della coppia perfettamente rigidi Secondly, the load transfer R from the hub to the shaft through the splined surfaces due to the moment Mt is governed by the following law valid for perfectly rigid torque members

M . M.

fi = fi =

r tanj® r tanj®

in cui rp é il raggio della circonferenza primitiva nel caso di profili scanalati a evolvente oppure il raggio medio per profili a fianchi paralleli. where rp is the radius of the pitch circumference in the case of involute grooved profiles or the average radius for profiles with parallel sides.

Nel caso di membri deformabili, la legge viene rispettata con un errore di modesta entità (dell'ordine del 6% del carico trasferito per β=45°, cui corrisponde il massimo trasferimento) . In the case of deformable members, the law is respected with a modest error (of the order of 6% of the load transferred for β = 45 °, which corresponds to the maximum transfer).

Sfruttando i risultati delle simulazioni FEM ed assumendo per semplicità che i membri dell'accoppiamento scanalato siano rigidi (assunzione che non genera errori molto significativi, come appena esposto), è possibile stabilire la ripartizione di carico a regime tra i due cuscinetti assiali con un'opportuna scelta dell'angolo d'elica . By exploiting the results of the FEM simulations and assuming for simplicity that the members of the splined coupling are rigid (an assumption that does not generate very significant errors, as just explained), it is possible to establish the steady-state load distribution between the two axial bearings with a appropriate choice of helix angle.

A guesto scopo, Figura 2 riporta in funzione dell'angolo d'elica β, per i dati ipotizzati in Tavola 1 sopra, 1'andamento del trasferimento di carico R (curva continua spessa) congruente con 1'equazione di cui sopra . For this purpose, Figure 2 reports as a function of the helix angle β, for the data hypothesized in Table 1 above, the trend of the load transfer R (thick continuous curve) congruent with the above equation.

Sulla base di tale andamento, sono tracciate anche la spinta assiale Tt della turbina sul cuscinetto principale 61 (curva tratteggiata) e la spinta Ts dell' albero sul cuscinetto ausiliario 62 curva trattopunto, con valori positivi per forze dirette dal compressore alla turbina) . On the basis of this trend, the axial thrust Tt of the turbine on the main bearing 61 (dashed curve) and the thrust Ts of the shaft on the auxiliary bearing 62 curve point-to-point are also plotted, with positive values for direct forces from the compressor to the turbine).

Tali due spinte sono calcolate rispettivamente mediante le relazioni Tt= Ft-R e Ts=Fc-R, che si possono dedurre dall' analisi di Figura 1, in cui le spinte di turbina e compressore, Ft e Fc rispettivamente, sono ovviamente delle costanti a regime, specificate in Tavola 1. These two thrusts are calculated respectively by means of the relations Tt = Ft-R and Ts = Fc-R, which can be deduced from the analysis of Figure 1, in which the turbine and compressor thrusts, Ft and Fc respectively, are obviously constants fully operational, specified in Table 1.

La retta continua sottile rappresenta invece il valore della spinta di riferimento Tref=Ft-Fc, cui è sottoposto l'unico cuscinetto assiale di un impianto convenzionale. Come chiaramente visibile , adottando uno scanalato a denti dritti (β=9 0°) il carico sul cuscinetto assiale principale 61 è superiore a guello relativo ad un impianto convenzionale, in quanto pari all'intera spinta Ft della turbina, mentre il cuscinetto radiale/assiale ausiliario 62 porta la spinta Fc del compressore, diretta dal compressore alla turbina (positiva). The thin continuous line represents the value of the reference thrust Tref = Ft-Fc, to which the only axial bearing of a conventional implant is subjected. As clearly visible, by adopting a spline with straight teeth (β = 9 0 °) the load on the main axial bearing 61 is higher than that of a conventional plant, as it is equal to the entire thrust Ft of the turbine, while the radial bearing / auxiliary axial 62 carries the thrust Fc of the compressor, directed from the compressor to the turbine (positive).

Iniziando a diminuire 1'angolo d' elica β i carichi su ambedue i cuscinetti 61, 62 si riducono, poiché 1'elica è orientata in modo da generare sull'albero una spinta R opposta a quella del compressore Fc. Starting to decrease the helix angle β, the loads on both bearings 61, 62 are reduced, since the propeller is oriented so as to generate on the shaft a thrust R opposite to that of the compressor Fc.

Scegliendo β circa pari a 82°, il cuscinetto assiale primario 61 lavora nelle condizioni di riferimento (Tt=Tref ), mentre quello ausiliario 62 è scarico assialmente e quindi , poiché è soggetto al solo carico radiale , avrà durata ottimale (dell'ordine del milione di ore con affidabilità del 90%, come desunto dal calcolo della durata Lio per cuscinetti obliqui a sfere sottoposti al solo carico radiale specificato in Tavola 1) -Invece , con un angolo β inferiore ad 82° ma superiore a 76° (intervallo di valori di progetto), il cuscinetto principale 61 diventa più scarico rispetto alla condizione di riferimento, a spese della durata del cuscinetto ausiliario 62, che riceverà dall'albero una spinta negativa (dalla turbina al compressore). By choosing β approximately equal to 82 °, the primary axial bearing 61 works in the reference conditions (Tt = Tref), while the auxiliary 62 is axially unloaded and therefore, since it is subject to radial load only, it will have an optimal duration (of the order of million hours with 90% reliability, as deduced from the calculation of the life Lio for angular contact ball bearings subjected only to the radial load specified in Table 1) -Instead, with an angle β less than 82 ° but greater than 76 ° (range of design values), the main bearing 61 becomes more unloaded than the reference condition, at the expense of the life of the auxiliary bearing 62, which will receive a negative thrust from the shaft (from the turbine to the compressor).

Per β=76° la spinta sul cuscinetto assiale principale 61 si annulla e, conseguentemente , la spinta dell'albero sul cuscinetto ausiliario 62 assume il suo valor massimo, ossia Ts=-Tref, che comporta la durata tipica di un layout convenzionale . For β = 76 ° the thrust on the main axial bearing 61 is canceled out and, consequently, the thrust of the shaft on the auxiliary bearing 62 assumes its maximum value, that is Ts = -Tref, which entails the typical duration of a conventional layout.

Angoli d'elica inferiori a 76° possono essere scelti solo con cuscinetti a fogli a doppio effetto, ma condurrebbero probabilmente a durate ancora più inadeguate del cuscinetto ausiliario . Helix angles of less than 76 ° can only be chosen with double direction sheet bearings, but would likely lead to even more inadequate auxiliary bearing life.

Da tutto guanto sopra ne deriva che 1'angolo d'elica β è compreso tra 70° ed 80°, preferibilmente tra 75° ed 85 ° e ancora più preferibilmente pari ad 82°. From all the above it follows that the helix angle β is comprised between 70 ° and 80 °, preferably between 75 ° and 85 ° and even more preferably equal to 82 °.

Nell' intervallo di angoli d'elica di progetto, la durata/affidabilità massima del cuscinetto 62 si ottiene per β=82°, guella minima tipica del layout convenzionale per β=76°; il carico più gravoso sul cuscinetto assiale principale 61, pari a guello di un layout convenzionale, si verifica β=82°, guello minimo (nullo) per β=76°. L'angolo d' elica β è mostrato chiaramente in fig. 5 e corrisponde all'angolo acuto misurato tra la tangente ad una delle eliche tracciate dal fianco di un dente sul cilindro primitivo ed un piano perpendicolare all'asse del cilindro . In the design helix angle range, the maximum life / reliability of bearing 62 is obtained for β = 82 °, the minimum typical of the conventional layout for β = 76 °; the heaviest load on the main thrust bearing 61, equal to that of a conventional layout, occurs β = 82 °, minimum (zero) for β = 76 °. The helix angle β is clearly shown in fig. 5 and corresponds to the acute angle measured between the tangent to one of the helices traced by the flank of a tooth on the primitive cylinder and a plane perpendicular to the axis of the cylinder.

Tornando alla soluzione non limitativa illustrata nei disegni allegati , si nota che il secondo accoppiamento scanalato 52 è un accoppiamento scanalato a denti dritti; tuttavia -in alternativa- esso potrebbe essere anche un accoppiamento scanalato di altro tipo o, al limite, un accoppiamento per interferenza . Returning to the non-limiting solution illustrated in the attached drawings, it can be seen that the second splined coupling 52 is a splined coupling with straight teeth; however - alternatively - it could also be a splined coupling of another type or, at least, an interference fit.

Per quanto concerne il cuscinetto assiale principale ad aria 61 esso èmostrato in una forma esecutiva preferita nelle figure 9-11, dove si nota il cuscinetto a fogli ad aria 61, i primi elementi aerodinamici 611 che comprendono una ralla e i secondi elementi aerodinamici 612 che comprendono una pluralità di fogli ondulati 614 ed un foglio superiore liscio 613. As far as the main air thrust bearing 61 is concerned, it is shown in a preferred embodiment in Figures 9-11, where we note the air leaf bearing 61, the first aerodynamic elements 611 which include a washer and the second aerodynamic elements 612 which comprise a plurality of corrugated sheets 614 and a smooth top sheet 613.

Come sopra accennato, il posizionamento delle parti è tale per cui As mentioned above, the positioning of the parts is such that

- in condizione di turbina ferma (come in fig. 6) o in rotazione ad una velocità inferiore alla velocità di sostentamento, la girante di turbina 41 è in contatto con lo spailamento 53 anulare dell'albero 5, così che una spinta assiale della girante di turbina è scaricata sull' albero 5 attraverso lo spallamento anulare 53; - in the condition of a stationary turbine (as in Fig. 6) or rotating at a speed lower than the running speed, the turbine impeller 41 is in contact with the annular shoulder 53 of the shaft 5, so that an axial thrust of the impeller turbine is discharged onto shaft 5 through annular shoulder 53;

- in condizione di turbina in rotazione ad una velocità uguale o superiore alla velocità di sostentamento (come in fig. 7), la girante di turbina 41 è allontanata dallo spallamento 53 anulare dell'albero 5, così che una spinta assiale della girante di turbina 41 è scaricata in parte direttamente sul telaio 2 attraverso il cuscinetto assiale principale ad aria 61 ed in parte sull'albero 5 attraverso 1'accoppiamento scanalato elicoidale 51. - in the condition of the turbine rotating at a speed equal to or greater than the sustaining speed (as in fig. 7), the turbine impeller 41 is moved away from the annular shoulder 53 of the shaft 5, so that an axial thrust of the turbine impeller 41 is partly discharged directly onto the frame 2 through the main axial air bearing 61 and partly onto the shaft 5 through the helical splined coupling 51.

In forme esecutive preferite , inoltre, è presente un terzo cuscinetto radiale 63 visibile in fig . 12 e accoppiato tra il telaio 2 e 1'albero 5 in prossimità del cuscinetto assiale principale 61, essendo 1'accoppiamento del terzo cuscinetto radiale 63 con il telaio 5 un accoppiamento a pattino, in cui il terzo cuscinetto radiale 63 è libero di scorrere assialmente rispetto al telaio, così da permettere una dilatazione assiale dell' albero 5. In preferred embodiments, moreover, there is a third radial bearing 63 visible in fig. 12 is coupled between the frame 2 and the shaft 5 in proximity to the main thrust bearing 61, the coupling of the third radial bearing 63 with the frame 5 being a sliding coupling, in which the third radial bearing 63 is free to slide axially with respect to the frame, so as to allow axial expansion of the shaft 5.

1/ adozione del cuscinetto 63 è conveniente per non far lavorare 1'albero 5 a sbalzo. The adoption of the bearing 63 is convenient in order not to make the shaft 5 work in cantilever fashion.

Per quanto attiene il cuscinetto radiale/ assiale ausiliario 62 ed il terzo cuscinetto radiale 63, se presente , in una forma esecutiva almeno uno di essi comprende un cuscinetto volvente , preferibilmente un cuscinetto a doppio effetto e ancora più preferibilmente comprende una pluralità di cuscinetti obliqui a sinqola corona di sfere. As regards the auxiliary radial / axial bearing 62 and the third radial bearing 63, if present, in one embodiment at least one of them comprises a rolling bearing, preferably a double direction bearing and even more preferably comprises a plurality of angular contact bearings sinqola crown of spheres.

Il cuscinetto volvente di tipo obliquo 62 illustrato è in grado di sopportare carichi sia radiali sia assiali, dovuti al peso proprio della girante o una sua parte ed all' azione del compressore e della turbina, rispettivamente . The rolling bearing of the oblique type 62 illustrated is capable of withstanding both radial and axial loads, due to the weight of the impeller or a part thereof and to the action of the compressor and of the turbine, respectively.

Poiché il carico assiale è diretto dal compressore 3 alla turbina 4 all'avvio ed in direzione opposta a regime, il cuscinetto 62 è a doppio effetto; in alternativa, in modo equivalente, lo stesso cuscinetto 62 potrebbe essere sostituito da due cuscinetti a singolo effetto affiancati oppure o ancora, più in generale, da una molteplicità di cuscinetti che esercitano una funzione equivalente a quella di un doppio effetto. Since the axial load is directed from the compressor 3 to the turbine 4 at start-up and in the opposite direction when running, the bearing 62 is double-acting; alternatively, in an equivalent way, the same bearing 62 could be replaced by two side-by-side single-acting bearings or, more generally, by a plurality of bearings which perform a function equivalent to that of a double-acting one.

Preferibilmente il cuscinetto 62 è composto da due (o più) cuscinetti obliqui a singola corona di sfere accoppiati . The bearing 62 is preferably composed of two (or more) angular contact bearings with a single row of coupled balls.

Nelle figure viene mostrata per semplicità una soluzione in cui il cuscinetto 62 è un cuscinetto a sfere a quattro punti di contatto. For the sake of simplicity, the figures show a solution in which the bearing 62 is a four-point contact ball bearing.

Tale cuscinetto è montato inserendo 1'anello esterno all' interno di un' apposita cavità nel telaio della macchina e posizionando 1'anello interno sulla relativa sede sull'albero 5, con tolleranze adeguate. This bearing is mounted by inserting the outer ring inside a suitable cavity in the frame of the machine and positioning the inner ring on its seat on the shaft 5, with adequate tolerances.

In particolare , 1'anello esterno è vincolato al telaio 2 assialmente in modo da reagire alle azioni assiali. In una variante "oil-free" il cuscinetto radiale/assiale ausiliario 62 ed il terzo cuscinetto radiale 63, se presente, comprendono un cuscinetto magnetico, di tipo attivo o passivo. In particular, the outer ring is axially constrained to the frame 2 so as to react to the axial actions. In an "oil-free" variant, the auxiliary radial / axial bearing 62 and the third radial bearing 63, if present, comprise an active or passive magnetic bearing.

Sono così raggiunti gli scopi sopra elencati. The purposes listed above are thus achieved.

Sono ovviamente possibili numerose varianti a guanto sino ad ora descritto . Numerous variants of the glove described up to now are obviously possible.

Claims

CLAIMS 1. Micro-turbogas unit (1) comprising a frame (2), a compressor part (3) provided with at least one compressor wheel (31), a turbine part (4) provided with at least one turbine wheel (41 ), which rotors of compressor (31) and turbine (41) are connected by means of a shaft (5), characterized by the fact that in at least one operating condition of the unit (1) the turbine impeller (41) is directly coupled to the frame (2) to discharge all or part of an axial load onto it.

Micro-turbogas unit (1) according to the preceding claim, wherein the turbine impeller (41) is coupled to a first end of the shaft (5) by means of a first splined coupling which ends at a shoulder (53 ) shaft ring finger (5) being also provided: - at least one main axial air bearing (61) comprising first (611) and second (612) aerodynamic elements able to generate an aerodynamic support of the first elements (611) with respect to the second elements (612) above a rotation speed of relative support between said first and second elements (611,612), said first elements (611) being fixed to the turbine impeller (41) and said second elements (612) being fixed to the frame (2), so as to discharge onto the latter a axial thrust generated by the turbine wheel (41) in an operating condition in which the turbine wheel rotates at a speed greater than or equal to said sustaining speed, an auxiliary radial / axial bearing (62), interposed between the frame (2) and the shaft (5) near the compressor (3).

Micro-gas turbine unit (1) according to claim 2, wherein said first splined coupling is a helical splined coupling (51).

Micro-turbogas unit (1) according to claim 1, 2 or 3, wherein the compressor wheel (31) is coupled to a second and opposite end of the shaft (5) by means of a second splined coupling (52), the second splined coupling (52) being a straight tooth splined coupling.

Micro-gas turbine unit (1) according to one or more of the preceding claims, wherein the main air thrust bearing (61) is an air leaf bearing (61), wherein the first aerodynamic elements (611) comprise a fifth wheel and the second aerodynamic elements (612) comprise a plurality of shoes, each consisting of a plurality of corrugated sheets (614) and a smooth top sheet (613).

Micro-turbogas unit (1) according to one or more of the preceding claims, wherein: - in the condition of a stationary turbine or rotating at a speed lower than the running speed, the turbine impeller (41) is in contact with the annular shoulder (53) of the shaft (5), so that an axial thrust of the impeller turbine is discharged onto the shaft (5) through the annular shoulder (53); - in the condition of the turbine rotating at a speed equal to or greater than the running speed, the turbine wheel (41) is moved away from the annular shoulder (53) of the shaft (5), so that an axial thrust of the turbine wheel ( 41) is discharged partly on the frame (2) through the main air thrust bearing (61) and partly on the shaft (5) through the helical splined coupling (51).

7. Micro-turbogas unit (1) according to one or more of the preceding claims, further comprising a third radial bearing (63) coupled between the frame (2) and the shaft (5) in proximity to the main axial bearing (61), the coupling of the third radial bearing (63) with the frame (5) being a sliding coupling, in which the third radial bearing (63) is free to slide axially with respect to the frame, so as to allow axial expansion of the shaft ( 5).

Micro-gas turbine unit (1) according to one or more of the preceding claims, wherein one of the auxiliary radial / axial bearing (62) and the third radial bearing (63) comprises a rolling bearing.

Micro-gas turbine unit (1) according to the preceding claim, wherein the rolling bearing is a double-acting bearing and preferably comprises a plurality of single row ball bearings.

Micro-gas turbine unit (1) according to one or more of claims 1 to 6, wherein one of the auxiliary radial / axial bearing (62) and the third radial bearing (63) comprises a magnetic bearing.

Micro-turbogas unit (1) according to one or more of the preceding claims, wherein a helix angle β of the helical splined coupling (51) is between 70 ° and 80 °, preferably between 75 ° and 85 ° and even more preferably about 82 °.