ITUB20155200A1 - Dispositivo di tenuta per turbina idraulica e turbina idraulica comprendente tale dispositivo di tenuta - Google Patents

Description

DISPOSITIVO DI TENUTA PER TURBINA IDRAULICA E TURBINA IDRAULICA COMPRENDENTE TALE DISPOSITIVO DI TENUTA.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un dispositivo di tenuta particolarmente adatto a venire impiegato in una turbina idraulica per impianti idroelettrici.

La presente invenzione concerne altresì una turbina idraulica comprendente il suddetto dispositivo di tenuta.

Com’è noto, le turbine idrauliche e le pompe, nel seguito denominate per semplicità “macchine idrauliche”, sono macchine provviste di una cassa nella quale è girevolmente disposta una girante.

Nel caso di una turbina, la girante converte l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica, il viceversa valendo nel caso delle pompe.

La girante è associata ad un albero girevolmente inserito in un foro della cassa, che consente di collegare la girante ad un alternatore o ad un motore a seconda che la macchina sia una turbina o una pompa.

È inoltre presente una tenuta interposta tra l’albero ed il foro della cassa, atta ad evitare che l’acqua presente nella cassa fuoriesca all’esterno.

Nelle macchine idrauliche di grandi dimensioni, in particolare quelle impiegate negli impianti idroelettrici, la tenuta utilizzata generalmente comprende due anelli di tenuta associati rispettivamente all’albero e al foro della cassa.

I suddetti anelli vengono forzati a contatto reciproco in corrispondenza di rispettive superfici di contatto lisce così da impedire il passaggio dell’acqua tra di essi.

Poiché i materiali dei suddetti anelli di tenuta sono particolarmente duri e fragili e, pertanto, soggetti a facili rotture in caso di urti, le tenute del tipo sopra descritto presentano l’inconveniente di richiedere notevoli precauzioni durante il loro trasporto e montaggio.

Il suddetto inconveniente è tanto più importante quanto maggiore è il diametro dell’albero della macchina idraulica, dato che tale diametro determina le dimensioni degli anelli di tenuta.

Pertanto, il suddetto inconveniente è particolarmente importante per le macchine idrauliche per impianti idroelettrici, in particolare per le turbine Kaplan, che sono quelle che presentano i diametri d’albero più elevati.

In questi casi, a causa dell’elevata velocità periferica degli anelli è anche necessario iniettare acqua in pressione tra di essi in modo da evitarne il surriscaldamento.

Sorge pertanto l’inconveniente di dover prevedere un dispositivo di alimentazione d’acqua dotato di dispositivi di sicurezza atti a segnalarne il malfunzionamento, il quale va ad aumentare il costo della macchina.

Un ulteriore inconveniente della suddetta tenuta è il fatto che la sua rottura avviene di schianto e senza preavviso e richiede quindi un fermo macchina non programmato per la sostituzione.

La presente invenzione si prefigge di superare tutti gli inconvenienti sopra menzionati appartenenti alle tenute di tipo noto, in particolare a quelle impiegate nelle macchine idrauliche impiegate negli impianti idroelettrici e, ancor più in particolare, per le turbine idrauliche di grosse dimensioni.

In particolare, è scopo della presente invenzione realizzare una tenuta che non richieda particolari precauzioni durante il trasporto ed il montaggio.

È altresì scopo dell’invenzione che la tenuta presenti una durata superiore a quella delle tenute di tipo noto.

È inoltre scopo dell’Invenzione che la tenuta presenti prestazioni che si degradano nel tempo in modo progressivo.

È non ultimo scopo dell’Invenzione che la tenuta possa venire ripristinata senza necessità di fermi macchina.

I suddetti scopi vengono raggiunti da un dispositivo di tenuta realizzato in accordo con la rivendicazione principale.

I suddetti scopi vengono altresì raggiunti da una turbina idraulica comprendente la suddetta tenuta, in accordo con la rivendicazione 13.

Vantaggiosamente, la tenuta dell’invenzione è insensibile agli urti e, pertanto, può venire trasportata ed installata senza necessità di applicare le cautele necessarie per le tenute di tipo noto sopra descritte.

Ancora vantaggiosamente, la degradazione progressiva della tenuta permette di monitorare lo stato di quest’ultima e di programmarne la manutenzione in anticipo in modo da limitare le perdite.

I suddetti scopi e vantaggi, assieme ad altri che verranno menzionati in seguito, saranno evidenziati durante la seguente descrizione di una preferita forma esecutiva del dispositivo di tenuta dell’invenzione, che viene data a titolo indicativo e non limitativo con riferimento alle tavole di disegno allegate dove:

- la fig. 1 rappresenta la turbina idraulica dell’invenzione, in vista laterale sezionata;

- la fig. 2 rappresenta un dettaglio ingrandito della fig. 1 , che evidenzia il dispositivo di tenuta dell’invenzione;

- la fig. 3 rappresenta un dettaglio ulteriormente ingrandito del dispositivo di tenuta di fig. 2.

II dispositivo di tenuta dell’invenzione viene descritto con riferimento all’uso in una turbina idraulica di tipo Kaplan ad asse verticale, indicata in fig. 1 complessivamente con 1.

Apparirà peraltro evidente che il dispositivo di tenuta dell’invenzione può venire impiegato in altre tipologie di turbine e in pompe centrifughe, particolarmente in turbine o pompe di grandi dimensioni come quelle destinate agli impianti idroelettrici, anche ad asse non verticale.

La turbina idraulica 1 comprende una girante 19 alloggiata in una cassa 21 ed associata ad un albero 2, l’albero 2 essendo girevole in un foro 20 della cassa 21.

La turbina idraulica 1 comprende inoltre un dispositivo di tenuta 3 interposto tra l’albero 2 ed il foro 20, avente la funzione di ostacolare il passaggio dell’acqua tra l’albero 2 ed il foro 20 verso l’esterno della zona in cui è alloggiata la girante 19, in particolare verso il generatore 22.

Come si osserva in dettaglio in fig. 2, il suddetto dispositivo di tenuta 3 comprende un corpo cilindrico 4, che definisce una superficie cilindrica esterna 4a ed un asse longitudinale X coassiale all’asse dell’albero 2.

Preferibilmente, il corpo cilindrico 4 è una camicia coassiale all’albero 2 della turbina 1 e solidalmente associato in rotazione a quest’ultimo. In varianti esecutive dell’invenzione, il corpo cilindrico 4 può essere l’albero 2 stesso.

Il dispositivo di tenuta 3 comprende altresì un gruppo di tenuta 5 girevolmente associato al corpo cilindrico 4 e disposto a contatto con la superficie cilindrica esterna 4a in modo da ostacolare il passaggio dell’acqua tra il corpo cilindrico 4 ed il gruppo di tenuta 5.

Preferibilmente, il gruppo di tenuta 5 è solidalmente associato al foro 20 mediante mezzi di collegamento di per sé noti.

Secondo l’invenzione, il gruppo di tenuta 5 comprende un corpo tubolare 6 coassiale al corpo cilindrico 4 ed al quale sono associati due anelli di contenimento 7, 8, anch’essi coassiali al corpo cilindrico 4, reciprocamente distanziati per delimitare, assieme al corpo tubolare 6 e al corpo cilindrico 4, una camera di tenuta anulare 9. La suddetta camera di tenuta anulare 9 è riempita da una miscela pastosa 10 che svolge la funzione di tenuta tra il corpo cilindrico 4 ed il gruppo di tenuta 5.

La miscela pastosa 10 comprende un gel tixotropico nel quale è dispersa una polvere lubrificante preferibilmente comprendente grafite.

Com’è noto, un gel tixotropico è una sostanza la cui viscosità diminuisce in presenza di uno sforzo di taglio.

Quando la turbina idraulica 1 è attiva, cioè con la girante 19 in rotazione, il corpo cilindrico 4 ruota attorno all’asse longitudinale X ed esercita sul gel tixotropico una sollecitazione di taglio che riduce la viscosità del gel stesso, rendendolo più fluido e limitando l’attrito sul corpo cilindrico 4 stesso e, quindi, sull’albero 2.

La presenza della polvere lubrificante riduce ulteriormente l’attrito del corpo cilindrico 4.

Al contrario, quando la turbina idraulica 1 è inattiva, cioè con la girante 19 ferma, il corpo cilindrico 4 è anch’esso fermo e non genera la suddetta sollecitazione di taglio sul gel tixotropico, il quale pertanto assume una consistenza compatta che previene il trafilamento del gel stesso all’esterno della camera di tenuta anulare 9.

Si comprende che il dispositivo di tenuta 3 sopra descritto non presenta componenti fragili soggetti a rottura in seguito ad urti e, pertanto, può venire trasportato ed assemblato senza particolari precauzioni, raggiungendo così uno degli scopi dell’invenzione.

Inoltre, l’effetto di tenuta della miscela pastosa 10 si riduce progressivamente durante l’uso e questo rende possibile intervenire con sufficiente anticipo per ripristinare il gruppo di tenuta 5, così da limitare le perdite e raggiungendo un ulteriore scopo dell’invenzione. L’uso del gel tixotropico presenta l’ulteriore vantaggio di conferire alla miscela pastosa 10 una fluidità sufficiente da consentirne l’iniezione nella camera di tenuta anulare 9 quando richiesto.

Ciò consente il reintegro periodico della miscela pastosa 10 in modo da mantenere in efficienza il dispositivo di tenuta 3, raggiungendo pertanto lo scopo di aumentare la vita di quest’ultimo.

Preferibilmente, la miscela pastosa 10 comprende anche una pluralità di corpi laminari deformabili, preferibilmente in forma di pellicola, sparsi nel gel tixotropico.

Vantaggiosamente, i suddetti corpi laminari deformabili conferiscono alla miscela pastosa 10 una maggiore stabilità dimensionale anche in condizioni dinamiche, limitandone il trafilamento all’esterno della camera di tenuta 9 anche nelle suddette condizioni, così da rallentare la degradazione dell’efficacia del dispositivo di tenuta 3.

Preferibilmente, i suddetti corpi laminari deformabili sono in politetrafluoroetilene (PTFE) espanso.

Il PTFE presenta il vantaggio di essere un materiale resistente ad un ampio intervallo di temperature che, pertanto, si adatta a sopportare il calore sviluppato per attrito quando l’albero 2 e, quindi, il corpo cilindrico 4, sviluppano elevate velocità tangenziali, come avviene nel caso delle turbine Kaplan per impianti idroelettrici.

Per quanto concerne gli anelli di contenimento 7, 8, preferibilmente essi sono reciprocamente mobili in direzione dell’asse longitudinale X.

Inoltre, un dispositivo di compressione 11, visibile in fig. 2, spinge gli anelli di contenimento 7, 8 uno verso l’altro in modo da comprimere la miscela pastosa 10 così da spingerla contro la superficie cilindrica esterna 4a.

Pertanto, vantaggiosamente, la compressione della miscela pastosa 10 migliora l’efficacia del dispositivo di tenuta 3 anche quando, in seguito al funzionamento della turbina 1, parte della miscela pastosa 10 è fuoriuscita dalla camera di tenuta anulare 9.

11 dispositivo di compressione 11 può comprendere uno o più elementi elastici, ad esempio una o più molle, o qualsivoglia altro dispositivo atto a spingere gli anelli di contenimento 7, 8 uno verso l’altro.

Preferibilmente, uno o entrambi gli anelli di contenimento 7, 8 sono scorrevolmente associati al corpo tubolare 6 secondo l’asse longitudinale X, in modo da consentire il suddetto avvicinamento.

In alternativa, uno o entrambi gli anelli di contenimento 7, 8 possono essere deformabili in direzione dell’asse longitudinale X.

Preferibilmente e come si vede in fig. 3, tra ciascun anello di contenimento 7, 8 e la superficie cilindrica esterna 4a è presente un gioco radiale 12 che evita il contatto diretto, evitando quindi il corrispondente attrito.

11 suddetto gioco radiale 12 è dimensionato in modo tale da impedire l’estrusione della miscela pastosa 10 dalla camera di tenuta anulare 9.

Per ottenere il requisito appena descritto, si impiega un gioco radiale 12 preferibilmente non superiore a 1 mm, ancor più preferibilmente non superiore a 0.6 mm e, ancor più preferibilmente, non inferiore a 0.4 mm.

Preferibilmente, ciascun anello di contenimento 7, 8 è in contatto con la miscela pastosa 10 attraverso una corrispondente superficie inclinata 7a, 8a, ad esempio conica.

In particolare, il profilo in sezione di ciascuna superficie inclinata 7a, 8a secondo un piano passante per l’asse longitudinale X forma un angolo acuto con il profilo in sezione della superficie cilindrica esterna 4a secondo lo stesso piano e sul lato della superficie inclinata 7a, 8a rivolto verso l’altra superficie inclinata.

Le suddette superfici inclinate 7a, 8a trasmettono la forza di compressione dal dispositivo di compressione 11 alla miscela pastosa 10 conferendogli una componente diretta verso il corpo cilindrico 4 che, vantaggiosamente, spinge la miscela pastosa 10 verso il corpo cilindrico 4 accrescendone l’efficacia di tenuta.

Preferibilmente ma non necessariamente, il suddetto angolo acuto è superiore a 80° .

Preferibilmente, gli anelli di contenimento 7, 8 sono realizzati in politetrafluoroetilene (PTFE), o in un altro materiale avente caratteristiche analoghe, a vantaggio della resistenza termica degli anelli di contenimento 7, 8.

Per quanto concerne il reintegro della miscela pastosa 10 nella camera di tenuta anulare 9, esso viene preferibilmente effettuato per mezzo di un condotto di reintegro 14, visibile in fig. 1 , che mette in comunicazione la camera di tenuta anulare 9 con un serbatoio di reintegro che contiene una riserva della miscela pastosa 10.

In particolare, il condotto di reintegro 14 comunica ad un’estremità con il serbatoio di reintegro e, all’estremità opposta, con la camera di tenuta anulare 9 tramite un foro passante 13 appartenente al corpo tubolare 6.

11 condotto di reintegro 14 consente di trasferire parte della miscela pastosa 10 dal serbatoio di reintegro nella camera di tenuta anulare 9.

Preferibilmente, il suddetto trasferimento viene effettuato mediante un’unità di pompaggio, ad esempio una pompa volumetrica, non rappresentata nei disegni ma di per sé nota.

Preferibilmente, l’unità di pompaggio viene azionata automaticamente quando le perdite d’acqua attraverso il dispositivo di tenuta 3 superano un valore massimo predefinito, misurato da un gruppo di misurazione 16.

Preferibilmente, il gruppo di misurazione 16 comprende un serbatoio di raccolta 17 per raccogliere il liquido che trafila attraverso il dispositivo di tenuta 3.

Il gruppo di misurazione 16 comprende altresì un sensore configurato per segnalare l’avvenuto raggiungimento di un livello predefinito di liquido nel serbatoio di raccolta 17.

Preferibilmente, il suddetto sensore comprende uno o più galleggianti disposti nel serbatoio di raccolta 17, di cui almeno uno disposto in corrispondenza del suddetto livello predefinito.

Al raggiungimento del livello predefinito di liquido nel serbatoio di raccolta 17 interviene una pompa di scarico, non rappresentata nei disegni ma di per sé nota, associata al serbatoio di raccolta 17 in modo tale da poter rimuovere il liquido ivi presente.

Ancor più preferibilmente, il suddetto sensore comprende un secondo galleggiante disposto nel serbatoio di raccolta 17, atto a segnalare il raggiungimento di un livello minimo dopo lo svuotamento.

Preferibilmente, i segnali emessi dal sensore vengono acquisiti da un’unità logica di controllo, non rappresentata nelle figure ma di per sé nota, configurata per comandare l’azionamento dell’unità di pompaggio quando la frequenza degli svuotamenti supera una soglia prestabilita, corrispondente ad un certo flusso di perdita.

Vantaggiosamente, il metodo di misurazione sopra descritto, basato sul numero di svuotamenti del serbatoio di raccolta 17 per unità di tempo, permette una misurazione semplice e precisa delle perdite e, quindi, un intervento tempestivo dell’unità di pompaggio.

Operativamente, quando la turbina idraulica 1 è disattivata con l’albero 2 fisso, la miscela pastosa 10 contenuta nella camera di tenuta anulare 9 assume una configurazione relativamente compatta, che ne impedisce la fuoriuscita dalla camera 9 stessa.

Viceversa, con la turbina in esercizio, lo sforzo di taglio impresso dall’albero in rotazione sul gel tixotropico rende quest’ultimo meno viscoso, limitando il relativo attrito sull’albero 2.

Durante il funzionamento, la pressione degli anelli di contenimento 7 e 8 mantiene la miscela pastosa 10 compressa contro il corpo cilindrico 4.

Man mano che, per effetto della suddetta pressione e della capillarità, la miscela pastosa 10 fuoriesce dalla camera di tenuta anulare 9, gli anelli di contenimento 7 e 8 si avvicinano reciprocamente in modo da mantenere la miscela residua comunque compressa.

La progressiva diminuzione della quantità di miscela pastosa 10 presente nella camera di tenuta anulare 9 provoca un lento e graduale aumento delle perdite di liquido attraverso il dispositivo di tenuta 3.

Le suddette perdite vengono raccolte nel serbatoio di raccolta 17 finché, raggiunto un livello predefinito segnalato dal sensore, interviene la pompa di scarico che svuota il serbatoio di raccolta 17. Quando il numero di interventi della pompa di scarico in una predefinita unità di tempo supera la soglia predefinita, l’unità di pompaggio viene attivata in modo da reintegrare la miscela pastosa 10 all’interno della camera di tenuta anulare 9.

Per quanto finora detto, si comprende che il dispositivo di tenuta sopra descritto raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, la tenuta non richiede particolari cautele nel trasporto e nel montaggio, data la mancanza degli anelli di tenuta del tipo impiegato nelle tenute meccaniche di tipo noto.

Inoltre, l’utilizzo della miscela pastosa all’interno della camera di tenuta permette di realizzare una tenuta la cui efficacia si degrada progressivamente nel tempo ed è pertanto facilmente monitorabile in modo da consentire il ripristino per tempo.

Inoltre, l’uso della miscela pastosa consente di effettuare il suddetto ripristino anche in condizioni di esercizio.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) Dispositivo di tenuta (3) comprendente: - un corpo cilindrico (4) che definisce un asse longitudinale (X) ed una superficie cilindrica esterna (4a); - un gruppo di tenuta (5) girevolmente associato a detto corpo cilindrico (4) e a contatto con detta superficie cilindrica esterna (4a); caratterizzato dal fatto che detto gruppo di tenuta (5) comprende: - un corpo tubolare (6) coassiale a detto corpo cilindrico (4); - due anelli di contenimento (7, 8) associati a detto corpo tubolare (6), coassiali a detto corpo cilindrico (4) e reciprocamente distanziati; - una camera di tenuta anulare (9) delimitata da detta superficie cilindrica esterna (4a), da detto corpo tubolare (6) e da detti due anelli di contenimento (7, 8); - una miscela pastosa (10) che riempie detta camera di tenuta anulare (9) e che comprende una polvere lubrificante dispersa in un gel tixotropico.
2. 2) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta polvere lubrificante comprende grafite.
3. 3) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detta miscela pastosa (10) comprende una pluralità di corpi laminari deformabili sparsi in detto gel tixotropico.
4. 4) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detti corpi laminari deformabili sono in politetrafluoroetilene (PTFE) espanso.
5. 5) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti anelli di contenimento (7, 8) sono associati a detto corpo tubolare (6) in modo tale da essere reciprocamente mobili in direzione di detto asse longitudinale (X) e vengono forzati uno verso l’altro da un dispositivo di compressione (1 1 ).
6. 6) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto di comprendere un gioco radiale (12) tra ciascuno di detti anelli di contenimento (7, 8) e detta superficie cilindrica esterna (4a), dimensionato per impedire l’estrusione di detta miscela pastosa (10) all’esterno di detta camera di tenuta anulare (9).
7. 7) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5 o 6 caratterizzato dal fatto che detti anelli di contenimento (7, 8) presentano corrispondenti superfici inclinate (7a, 8a) in contatto con detta miscela pastosa (10), ciascuna delle quali forma un angolo acuto con detta superficie cilindrica esterna (4a).
8. 8) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere un serbatoio di reintegro contenente detta miscela pastosa (10), posto in comunicazione con detta camera di tenuta anulare (9) tramite un condotto di reintegro (14).
9. 9) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 8 caratterizzato dal fatto di comprendere un’unità di pompaggio per pompare detta miscela pastosa (10) da detto serbatoio di reintegro a detta camera di tenuta anulare (9) attraverso detto condotto di reintegro (14).
10. 10) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9 caratterizzato dal fatto di comprendere un gruppo di misurazione (16) configurato per misurare le perdite di detto liquido attraverso detto dispositivo di tenuta (3).
11. 11 ) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 10 quando in combinazione con la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che detto gruppo di misurazione (16) è configurato per azionare detta unità di pompaggio quando dette perdite superano un valore massimo predefinito.
12. 12) Dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 10 o 11 caratterizzato dal fatto che detto gruppo di misurazione (16) comprende un serbatoio di raccolta (17) configurato per raccogliere dette perdite, una pompa di scarico per svuotare detto serbatoio di raccolta ed un sensore configurato per azionare detta pompa di scarico al raggiungimento di un livello predefinito di detto liquido in detto serbatoio di raccolta (17).
13. 13) Dispositivo di tenuta (3) secondo la rivendicazione 12 caratterizzato dal fatto che detto gruppo di misurazione (16) è configurato per calcolare la frequenza di svuotamenti di detto serbatoio di raccolta (17) e comandare l’azionamento di detta unità di pompaggio quando detta frequenza supera una soglia predefinita.
14. 14) Turbina idraulica (1 ) comprendente: - una cassa (21 ) provvista di un foro (20); - una girante (19) alloggiata in detta cassa (21 ); - un albero (2) portante detta girante (19) e girevolmente inserito in detto foro (20); - un dispositivo di tenuta (3) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, interposto tra detto albero (2) e detto foro (20) .