IT201800003136A1

IT201800003136A1 - Turbina a gas aero-derivata con gestione termica migliorata

Info

Publication number: IT201800003136A1
Application number: IT102018000003136A
Authority: IT
Inventors: Francesco Caratelli
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-08-28
Also published as: BR102019004037A2; US11933222B2; US20240183313A1; EP3533975A1; US20190264613A1; EP3533975B1; RU2019105414A; CA3033822A1; AU2019200994A1

Description

Titolo

TURBINA A GAS AERO-DERIVATA CON GESTIONE TERMICA MIGLIORATA

Descrizione

Stato della tecnica dell'invenzione

[001] La presente divulgazione è relativa in generale a turbine a gas, in particolare a turbine a gas aero-derivate.

[002] Le turbine a gas aero-derivate sono ampiamente usate come fonti di potenza per applicazioni ad azionamento meccanico, nonché nella generazione di potenza per impianti industriali, tubazioni, piattaforme in mare aperto, applicazioni LNG e simili.

[003] In queste turbo-macchine possono avvenire deformazioni termiche non uniformi con riduzione o eliminazione dei giochi tra le parti del rotore e dello statore, il che quindi determina uno sfregamento tra le parti del rotore e dello statore o un aumento di fenomeni di bloccaggio del rotore. Queste turbine sono caratterizzate, infatti, da un peso minimo dell'involucro dal motore di bordo accoppiato ad una robusta progettazione del rotore per gestire eventi di sovra-velocità elevata come in applicazioni industriali e pertanto da parti aventi capacità termica diversa.

[004] In WO2013/131968 il problema del bloccaggio del rotore al momento dell'arresto è risolto usando un flusso di aria forzata per eliminare il calore dalla turbomacchina in stato di bloccaggio in modo da neutralizzare ad esempio l'effetto di espansione termica differenziale, consentendo pertanto alla turbina di essere riavviata in un tempo più breve.

[005] In WO2013/072291 l'espansione termica differenziale è controllata facendo sì che il rotore continui a muoversi lentamente dopo l'arresto.

[006] Sebbene servano all'ambito di tutela, queste soluzioni sono alquanto complesse e possono essere applicate solo quando la turbina è arrestata.

[007] È pertanto uno scopo della presente divulgazione progettare una turbomacchina con un controllo termico migliorato, riducendo il rischio di bloccaggio del rotore anche in condizioni di funzionamento.

Breve descrizione dell'invenzione

[008] Secondo le forme di realizzazione esemplificative divulgate nella presente, è prevista una turbina a gas aero-derivata dotata di una struttura che consente un controllo termico ottimizzato per evitare il bloccaggio del rotore, un fenomeno diffuso tra le turbine a gas aero-derivate. Il bloccaggio del rotore è dovuto al fatto che le turbine a gas aero-derivate hanno un involucro di peso minimo accoppiato ad un rotore robusto, progettato per gestire eventi di sovra-velocità elevata come in molte applicazioni industriali.

[009] Anziché aumentare lo scambio termico per ridurre i gradienti di temperatura nella turbina responsabili del bloccaggio del rotore, le forme di realizzazione divulgate nella presente permettono di evitare che il calore lasci l'involucro della turbina. Ciò consente di compensare i gradienti di temperatura anche quando la turbina è in funzione.

[0010] Per ottenere un controllo termico della turbina, in una forma di realizzazione il rivestimento di isolamento è un gruppo di isolamento comprendente un foglio o pannello isolante accoppiato ad un foglio metallico ad una data distanza dall'involucro per creare un passaggio per l'aria di raffreddamento tra l'involucro e il pannello. Ciò consente di far circolare l'aria tra l'involucro e il rivestimento di isolamento per mantenere la temperatura entro limiti di sicurezza.

[0011] In ulteriori forme di realizzazione, la turbina fa parte di un sistema che comprende uno o più sensori per misurare la velocità del rotore e/o la temperatura in una o più aree della turbina aero-derivata e un'unità di controllo configurata per leggere l'uscita di uno o più sensori. L'uscita di detto uno o più sensori è confrontata con soglie predefinite per determinare una condizione in corso di sovra-temperatura e agire sul generatore ad aria forzata per regolare il flusso di aria nel passaggio per controllare lo scambio termico attraverso l'involucro. Dette soglie possono essere vantaggiosamente un target di temperatura di valore variabile che dipende dallo stato di funzionamento della turbina aero-derivata.

[0012] Con questa soluzione più sofisticata, si può ottenere un controllo termico completo della turbina.

Breve descrizione dei disegni

[0013] La presente divulgazione risulterà più evidente dalla descrizione che segue delle forme di realizzazione esemplificative da considerare insieme ai disegni allegati, in cui:

[0014] la figura 1 illustra una sezione schematica longitudinale di una forma di realizzazione esemplificativa di una turbina a gas aero-derivata;

[0015] la figura 2 illustra un foglio o pannello che isola parzialmente l'involucro di una turbina a gas aero-derivata secondo le forme di realizzazione nella presente;

[0016] la figura 3 illustra schematicamente il profilo termico dell'involucro dotato di uno strato di isolamento, e

[0017] la figura 4, la figura 5 e la figura 6 illustrano viste in sezione trasversale lungo la linea di sezione A-A della figura 3, che mostrano lo stato di isolamento termico in diverse configurazioni.

[0018] La seguente descrizione dettagliata delle forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento nei diversi disegni identificano elementi uguali o simili. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Piuttosto, l'ambito di tutela dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.

Descrizione dettagliata dell'invenzione

[0019] Le forme di realizzazione esemplificative presentate nel seguito si riferiscono ad una turbina a gas aero-derivata, in cui il sottile involucro è isolato termicamente mediante un pannello. Questo pannello è mantenuto ad una data distanza dall'involucro, realizzando in tal modo un passaggio di flusso di aria di raffreddamento. L'aria di raffreddamento è guidata nel passaggio attraverso collettori di ingresso di aria. La posizione dei collettori di ingresso, la quantità di aria di raffreddamento e il numero e la geometria dei distanziatori utilizzati per mantenere il pannello distante dall'involucro sono ottimizzati per soddisfare i requisiti di temperatura dell'involucro metallico. L'aria può essere alimentata mediante un sistema di estrazione di compressore assiale di turbina a gas o mediante fonti esterne. L'aria è arrestata al momento dell'arresto della turbina a gas.

Le forme di realizzazione nella presente consentono di progettare la risposta termica richiesta sia in condizioni di funzionamento sia dopo l'arresto, riducendo in tal modo il rischio di bloccaggio del rotore e/o il rischio di danneggiamento delle parti della turbina.

[0020] Nella forma di realizzazione mostrata nella figura 12, una turbina a gas aero-derivata 102 comprende una sezione di compressore 9, che include un telaio frontale o un'imboccatura svasata di compressore 11, che forma una presa di aria di compressore, un involucro 13 e un rotore 14 supportato in modo rotante da un albero 16 e disposto nell'involucro 13. Pale rotanti sul rotore 14 e pale fisse sull'involucro 13 fanno sì che l'aria sia aspirata attraverso l'imboccatura svasata 11, compressa e alimentata ad un'uscita 15 della sezione di compressore 9. L'uscita 15 è in comunicazione di fluido con un combustore 17. L'aria compressa in uscita dalla sezione di compressore 9 è alimentata nel combustore 17, insieme ad un combustibile gassoso o liquido.

[0021] Il combustore 17 è in comunicazione di fluido con una turbina ad alta pressione 19. La turbina ad alta pressione 19 è azionata in rotazione dai gas di combustione che scorrono attraverso di essa e fornisce potenza per azionare la sezione di compressore 9. Viene usata soltanto una parte della potenza disponibile dalla turbina ad alta pressione 19 per azionare il compressore. I gas caldi in uscita dalla turbina ad alta pressione 19 sono ancora pressurizzati e saranno usati in una sezione a valle della turbina a gas aero-derivata per generare potenza meccanica. La combinazione della sezione di compressore 9, del combustore 17 e della turbina ad alta pressione 19 è solitamente denominata generatore di gas ed è indicata complessivamente con il numero 20 nei disegni.

[0022] Nella forma di realizzazione illustrata nei disegni, il rotore 14 della sezione di compressore 9 e il rotore della turbina ad alta pressione 19 sono supportati da un albero comune 16 e formano insieme un rotore di generatore di gas. Il gas generato dal generatore di gas 20 e in uscita dalla turbina ad alta pressione 19 scorre attraverso una sezione di turbina di potenza a valle, in cui l'energia contenuta nel gas è in parte trasformata in energia meccanica.

[0023] Nella forma di realizzazione esemplificativa mostrata nei disegni, la sezione di turbina di potenza comprende una turbina di potenza a bassa pressione 21, che comprende uno statore 21S e un rotore 21R. Nella forma di realizzazione illustrata nei disegni, il rotore 21R della turbina di potenza 21 è supportato su e collegato in torsione ad un albero di turbina 22, che è separato meccanicamente dall'albero 16 del generatore di gas. L'albero 22 è previsto per azionare un carico generico, ad esempio un generatore elettrico, un compressore o un treno di compressori di una linea di liquefazione di gas naturale o qualsiasi altro carico adatto.

[0024] La turbina di potenza 21 può includere un numero variabile di stadi di espansione. La forma di realizzazione esemplificativa illustrata nella figura 1 include una turbina di potenza a bassa velocità, a sei stadi. Altre forme di realizzazione possono includere una turbina di potenza ad alta velocità, ad esempio una turbina di potenza ad alta velocità, a due stadi. I gas di scarico in uscita dalla turbina di potenza in 23 possono essere usati a scopi di co-generazione o semplicemente scaricati nell'atmosfera.

[0025] La turbina a gas aero-derivata illustrata nella figura 1 è soltanto un esempio. Nella presente domanda possono essere usate molteplici e diverse turbine a gas aero-derivate disponibili in commercio. La struttura e la configurazione complessive, inclusi il numero di compressori, il numero di turbine, il numero di alberi e il numero di stadi di compressione ed espansione, possono variare da una turbina a gas aero-derivata all'altra. Le turbine a gas aero-derivate adatte sono le turbine a gas LM2500 Plus G4 HSPT o LM2500 Plus a 6 stadi: entrambe sono disponibili in commercio da GE Aviation; Evendale, Ohio; USA. Altre turbine a gas aero-derivate adatte sono la turbina a gas aero-derivata PGT25+; disponibile in commercio da BHGE; Firenze, Italia; o la turbina a gas aero-derivata Dresser-Rand Vectra® 40G4, disponibile in commercio da Dresser-Rand Company; Houston, Texas; USA. In altre forme di realizzazione, la turbina a gas aero-derivata potrebbe essere una PGT 16, una PGT 20 o una PGT25; tutte disponibili in commercio da BHGE; Firenze, Italia. È altresì adatta la turbina a gas aero-derivata LM6000; disponibile in commercio da GE Aviation; Evendale, Ohio; USA o LM9000; disponibile in commercio da BHGE; Firenze; Italia. In alcune forme di realizzazione, l'albero della turbina a gas aeroderivata può azionare un carico direttamente, ossia con una connessione meccanica diretta, in modo che il carico ruoti sostanzialmente alla stessa velocità della turbina di potenza della turbina a gas aero-derivata 102. In altre forme di realizzazione, può essere disposta una scatola degli ingranaggi tra l'albero della turbina di potenza e l'albero del carico. La particolare disposizione dipende da considerazioni di progettazione, basate sul tipo di turbina di potenza usata (ad alta velocità o a bassa velocità) e/o basate sulla velocità di rotazione del carico.

[0026] Qualunque sia il tipo di turbina usato, secondo le forme di realizzazione nella presente, l'involucro è almeno parzialmente isolato termicamente per ridurre il gradiente di temperatura tra l'involucro e il rotore per evitare il bloccaggio del rotore.

[0027] Secondo la forma di realizzazione esemplificativa mostrata nella figura 2, tale isolamento termico è ottenuto applicando un pannello 10 sull'involucro 13 in corrispondenza della turbina a bassa pressione 21 della figura 1. Questo è chiaramente un esempio non limitativo in quanto il pannello può essere posizionato indipendentemente in corrispondenza della turbina ad alta pressione 19 o della sezione di compressore 9 o in qualsiasi loro combinazione.

[0028] È altresì possibile prevedere un pannello o uno strato isolante 10 soltanto su una parte o su parti delle sezioni di turbina aero-derivata per ottimizzare la risposta termica della stessa.

[0029] La figura 3 mostra, con sfumature del livello di grigio, il comportamento termico di una sezione dell'involucro 13 di una turbina quando è applicato un gruppo di isolamento termico 10.

[0030] In una prima forma di realizzazione esemplificativa mostrata nella figura 4, tale gruppo di isolamento 10 comprende un pannello 101 accoppiato ad un foglio metallico 102 mantenuto ad una data distanza dall'involucro 13, realizzando nervature longitudinali 103 sull'involucro. Ciò consente di creare un passaggio 104 per l'aria di raffreddamento.

[0031] Nella forma di realizzazione della figura 5, nervature o protuberanze 203 del foglio metallico 102 definiscono un passaggio di aria 204 tra l'involucro 13 e il pannello 101. Tali nervature possono essere ottenute vantaggiosamente ad esempio, piegando il foglio in certi punti per creare perni o sostegni 203.

[0032] Nella forma di realizzazione della figura 6, il foglio metallico è sostituito da un involucro esterno 102' saldato sull'involucro principale 13 della turbina, ad esempio mediante un processo di brasatura. I punti di saldatura definiscono distanziatori 303 che consentono di creare un passaggio 304 per l'aria di raffreddamento come nelle forme di realizzazione precedenti.

[0033] Sono ovviamente possibili combinazioni di queste soluzioni. L'involucro esterno 102' può essere accoppiato, ad esempio, ad un foglio metallico 102 per migliorare la conduttività termica del gruppo di isolamento 10. Il foglio metallico 102 o l'involucro esterno 102' potrebbe anche essere omesso in alcune forme di realizzazione.

[0034] Il pannello 101 può essere di qualsiasi forma geometrica e può essere applicato longitudinalmente, circonferenzialmente, a spirale o seguendo qualsiasi motivo adatto per fornire una gestione termica ottimizzata.

[0035] Per quanto riguarda il materiale, i pannelli isolanti 101 possono essere vantaggiosamente pannelli trapuntati rivestiti di tessuto di vetro intessuto e cuciti paralleli o trasversali a distanze da 25 a 100 mm per fornire flessibilità in una o due dimensioni. I tipi di fibre possono includere vetro, arammide o acciaio inossidabile. La densità dei pannelli trapuntati è generalmente nell'intervallo da 190 a 300 Kg/m<3>. Il tessuto di vetro è previsto soltanto a scopi di manipolazione e si infragilisce o fonde ad una temperatura al di sotto della temperatura di uso massima dell'isolamento senza compromettere le proprietà di isolamento in servizio.

[0036] L'aria di raffreddamento urta il passaggio 104, 204, 304 attraverso l'ingresso di aria 106 per mezzo di collettori di aria 105 come visibile meglio nella figura 3. La posizione e la quantità dei collettori di ingresso 105, la quantità di aria e la geometria del distanziatore sono ottimizzate per soddisfare i requisiti di temperatura dell'involucro metallico.

[0037] L'aria è alimentata mediante un sistema di estrazione di compressore assiale di turbina a gas o mediante fonti esterne e, più in generale, mediante un generatore di flusso di aria forzata in comunicazione di fluido con una camera di aspirazione di aria. Il generatore di aria forzata genera un flusso di aria di raffreddamento forzata ad una pressione sufficiente a far circolare l'aria di raffreddamento nel passaggio di aria per controllare la dissipazione termica. L'aria è arrestata al momento dell'arresto della turbina a gas. Sono previste uscite 107 nel passaggio 104, 204, 304 per consentire all'aria di fuoriuscire nell'ambiente esterno o nell'uscita principale di turbina 23 per evitare il riscaldamento della camera che contiene la turbina.

[0038] In una forma di realizzazione, la turbina comprende uno o più sensori per misurare la velocità del rotore e/o la temperatura in una o più aree della turbina aero-derivata e un'unità di controllo configurata per:

leggere l'uscita del sensore o dei sensori;

confrontare l'uscita con le soglie per determinare una condizione di sovratemperatura;

agire sul generatore di aria forzata per regolare il flusso di aria nel passaggio 104, 204, 304 per controllare lo scambio termico attraverso l'involucro.

[0039] Il sistema consente di progettare la risposta termica richiesta sia in condizioni di funzionamento sia dopo l'arresto. La risposta termica dell'involucro sarà adatta alla risposta termica del rotore in tutte le fasi di emissione in modo da far funzionare i giochi migliori, riducendo il rischio di bloccaggio del rotore e/o il rischio di danneggiamento delle parti.

[0040] Il riferimento in tutta la descrizione a "una forma di realizzazione" indica che una particolare caratteristica, struttura o un particolare elemento caratteristico descritto in riferimento ad una forma di realizzazione è incluso in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto, la comparsa della frase "in una forma di realizzazione" in vari punti della descrizione non fa necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o i particolari elementi caratteristici possono essere combinati in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.

[0041]

Claims

Rivendicazioni 1. Turbina a gas aero-derivata comprendente: un involucro (13); un compressore avente un rotore (14) montato su un albero di generatore (16) supportato per la rotazione nell'involucro (13); un combustore (17); una turbina ad alta pressione (19) disposta nell'involucro e costituita da un rotore montato sull'albero di generatore (16) per la co-rotazione con il rotore di compressore (14); una turbina di potenza (21) disposta nell'involucro (13) e costituita da un rotore (21R) montato su un albero di turbina (22) per azionare un carico, caratterizzata dal fatto di comprendere un rivestimento di isolamento termico (10) accoppiato all'involucro (13) per ridurre la dispersione termica attraverso l'involucro (13).
2. Turbina secondo la rivendicazione 1, in cui il rivestimento di isolamento termico (10) è disposto su almeno parte della superficie esterna dell'involucro (13).
3. Turbina secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il rivestimento di isolamento (10) è collocato sulla parte dell'involucro (13) contenente, almeno parzialmente, la turbina di potenza (21).
4. Turbina secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il rivestimento di isolamento è un gruppo di isolamento (10) comprendente un foglio o pannello isolante (101) accoppiato ad un foglio metallico (102) mantenuto ad una data distanza dall'involucro (13) per creare un passaggio (104, 204, 304) per l'aria di raffreddamento tra l'involucro (13) e il pannello (101).
5. Turbina secondo la rivendicazione 4, in cui il foglio metallico (102) è mantenuto ad una distanza dall'involucro per mezzo di nervature longitudinali (103) realizzate sull'involucro (13).
6. Turbina secondo la rivendicazione 4, in cui il foglio metallico (102) è mantenuto ad una distanza dall'involucro (13) per mezzo di nervature o protuberanze (203) del foglio metallico (102).
7. Turbina secondo la rivendicazione 4, in cui il foglio metallico (102) è sostituito da, o fornito in aggiunta a, un involucro esterno (102') saldato sull'involucro (13) della turbina, in cui i punti di saldatura (303) tra l'involucro esterno (102') e l'involucro (13) sono disposti in modo da formare distanziatori che creano il passaggio (304) per l'aria di raffreddamento tra l'involucro (13) e il pannello (101).
8. Turbina secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il gruppo di isolamento (10) è disposto sull'involucro (13) longitudinalmente, circonferenzialmente, a spirale o seguendo qualsiasi motivo adatto per fornire una gestione termica ottimizzata.
9. Turbina secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui il rivestimento isolante comprende pannelli trapuntati rivestiti di tessuto di vetro tessuto e cuciti paralleli o trasversali a distanze da 25 a 100 mm.
10. Turbina secondo qualsiasi rivendicazione precedente da 4 a 9, in cui l'aria di raffreddamento urta il passaggio (104, 204, 304) attraverso l'ingresso di aria (106) per mezzo di collettori di aria (105).
11. Turbina secondo qualsiasi rivendicazione precedente da 4 a 10, comprendente inoltre un generatore di aria forzata, come un sistema di estrazione di compressore assiale di turbina, una fonte esterna o simili, che genera un flusso di aria di raffreddamento forzata ad una pressione sufficiente a far circolare l'aria di raffreddamento nel passaggio di aria (104, 204, 304) per controllare la dissipazione del calore.
12. Turbina secondo una qualsiasi rivendicazione precedente da 4 a 11, comprendente inoltre un'uscita (107) in comunicazione di fluido con l'uscita principale di turbina (23) per consentire all'aria di lasciare il passaggio (104, 204, 304).
13. Turbina secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente inoltre uno o più sensori per misurare la velocità del rotore e/o la temperatura in una o più aree della turbina aero-derivata e un'unità di controllo configurata per: leggere l'uscita del sensore o dei sensori; confrontare l'uscita con soglie per determinare una condizione di sovratemperatura o confrontare l'uscita con un target di temperatura in base allo stato di funzionamento della turbina aero-derivata; agire sul generatore di aria forzata per regolare il flusso di aria nel passaggio (104, 204, 304) per controllare lo scambio termico attraverso l'involucro.