ITCO20090071A1 - Tenuta che si puo' abradere con spostamento assiale - Google Patents

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ITCO20090071A1
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Roderick Lusted
Vittorio Michelassi
Nuo Sheng
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Nuovo Pignone Spa
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Description

DESCRIZIONE
CAMPO DELL’INVENZIONE
Le realizzazioni esemplificative sono relative alle tenute dei compressori in generale, e, più specificamente, alla realizzazione di tenute ad abrasione con spostamento assiale per la riduzione del trafilamento.
ARTE NOTA
Un compressore è una macchina che aumenta la pressione di un fluido comprimibile, per esempio un gas, utilizzando energia meccanica. I compressori vengono impiegati in molte applicazioni diverse e in un grande numero di processi industriali, compresa la generazione di energia, la liquefazione di gas naturale e in altri processi. Tra i vari tipi di compressori utilizzati in tali processi e impianti produttivi vi sono i cosiddetti compressori centrifughi, nei quali l’energia meccanica agisce sul gas in ingresso al compressore per mezzo dell’accelerazione centrifuga, per esempio attraverso la rotazione di una girante centrifuga. I compressori centrifughi possono essere dotati di una girante singola, in una configurazione monostadio, oppure di una molteplicità di giranti poste in serie, nel qual caso sono spesso indicati come compressori multistadio. Ogni stadio di un compressore centrifugo comprende di solito un tubo di ingresso per il gas da comprimere, una girante in grado di fornire energia cinetica al gas in ingresso e un diffusore che converte in energia di pressione l’energia cinetica del gas che lascia la girante. La Figura 1 illustra un compressore multistadio 100, contenuto entro un involucro 110, nel il quale è montato un albero 120 e una molteplicità di giranti 130. L’albero 120 e le giranti 130 sono compresi in un gruppo rotore sostenuto dai cuscinetti 190 e 195.
Il compressore multistadio funziona prendendo un gas di processo in entrata dal condotto di ingresso 160, aumentandone la pressione tramite il funzionamento del gruppo rotore ed emettendo poi il gas di processo attraverso un condotto di uscita 170 a una pressione di uscita più alta di quella di ingresso. Il gas di processo può essere per esempio biossido di carbonio, solfuro di idrogeno, butano, metano, etano, propano, gas naturale liquido o una loro combinazione.
Tra le giranti 130 e i cuscinetti 190 e 195 si trovano le tenute 180, 185 e 188, che impediscono al gas di processo di passare attraverso i cuscinetti. Le tenute 188 sono quelle dell’occhio della girante (la zona di ingresso della girante).
Ciascuna delle giranti 130 aumenta la pressione del gas di processo. Ciascuna della giranti 130 può essere considerata come uno stadio del compressore multistadio 100. L’aggiunta di altri stadi risulta pertanto in un aumento del rapporto tra la pressione di uscita e la pressione di ingresso.
Il gruppo rotore può comprendere parti fisse dette statori e parti rotanti dette rotori. L’efficienza energetica complessiva di un compressore è influenzata negativamente dal trafilamento del fluido o gas di lavoro tra lo statore e il rotore, dovuto alla differenza di pressione assiale lungo il rotore.
Nei compressori centrifughi si possono utilizzare le tenute ad abrasione per ridurre le perdite del gas di lavoro allo scopo di migliorare l’efficienza dello stadio attraverso la riduzione della luce libera senza il rischio di danneggiare il rotore.
La figura 2 illustra un sistema che utilizza una tenuta ad abrasione. Il sistema di tenuta 200 comprende un rotore 210 (cioè una parte rotante) e uno statore 220 (cioè una parte fissa). Il rotore 210 ruota attorno all’asse longitudinale del compressore. Il rotore 210 comprende una molteplicità di denti rotorici 215, che possono essere radiali. Lo statore 220 comprende una cavità o alloggiamento 230 che contiene una tenuta statorica 223.
La tenuta statorica comprende una parte abradibile, o rivestimento, 225. La tenuta statorica 223 può essere costituita da una fascia dotata, in alcune esecuzioni, di un rivestimento abradibile sulla circonferenza interna. In altre esecuzioni tutta la fascia può essere realizzata in materiale abradibile.
La tenuta statorica contiene entro la sua circonferenza il rotore, che può ruotare entro la circonferenza interna della tenuta statorica. Su entrambi i lati di ciascuno stadio di un compressore multistadio è posta una tenuta statorica.
La rotazione del rotore 210 fa in modo che la dentatura radiale 215 montata sul rotore crei delle gole di abrasione 227 lungo la circonferenza interna della tenuta ad abrasione 223 montata sullo statore, e che può provocare un cosiddetto “debito” nelle prestazioni della tenuta (cioè un aumento del trafilamento).
Per ridurre il trafilamento è possibile, come illustrato nella Figura 2, spostare in direzione radiale una tenuta statorica entro l’alloggiamento 230, allontanandola da una parte superiore 235 dell’alloggiamento 230 per mezzo di un meccanismo a molla. La fascia è tipicamente suddivisa in due o quattro sezioni uguali. Il meccanismo a molla permette alla tenuta statorica di spostarsi in direzione radiale, avvicinandosi al rotore 210 o allontanandosi da esso. Le due o quattro sezioni uguali della fascia facilitano lo spostamento radiale.
La tenuta statorica 223 con il meccanismo a molla può anche riferirsi a una tenuta elastica, una tenuta dotata di molla o una tenuta ad abrasione a molla. Una tenuta elastica (cioè una tenuta priva di meccanismo a molla e pertanto nessuno spostamento radiale) permette di ottenere una luce radiale più stretta e una riduzione del trafilamento, rispetto a una tenuta non elastica.
Sarebbe desiderabile progettare e fornire un meccanismo di tenuta migliorato per ridurre ulteriormente il “debito” del trafilamento.
DESCRIZIONE SOMMARIA
Sistemi e metodi secondo le presenti realizzazioni esemplificative forniscono caratteristiche di tenuta migliorate per ridurre il trafilamento tra una tenuta statorica e un rotore di un gruppo rotore, introducendo un meccanismo a molla per facilitare il controllo della posizione assiale dell’elemento di tenuta.
Secondo una realizzazione esemplificativa, viene divulgato un sistema di tenuta per un compressore centrifugo. Il sistema di tenuta comprende uno statore recante un alloggiamento, una tenuta disposta entro tale alloggiamento e avente una parte abradibile lungo una circonferenza interna, un rotore avente una molteplicità di denti configurati per ruotare entro la circonferenza interna della tenuta e configurati per ricavare delle gole di abrasione entro la parte abradibile, e una prima molla posta tra lo statore e la tenuta e configurata per facilitare lo spostamento assiale della tenuta relativamente al suo alloggiamento.
Secondo un’ulteriore realizzazione esemplificativa viene divulgato un metodo per ridurre il trafilamento tra una tenuta posta in un alloggiamento statorico e un rotore di un compressore centrifugo, in cui il rotore ruota entro la circonferenza interna della tenuta. Il metodo comprende la spinta preventiva della tenuta contro un lato ad alta pressione del suo alloggiamento, grazie alla pressione di una molla, per lasciare uno spazio in direzione assiale tra la tenuta e il suo alloggiamento, l’avviamento del compressore, il taglio di gole di abrasione radiali in una parte abradibile della tenuta, l’aumento della velocità del compressore e lo spostamento della tenuta verso il lato a bassa pressione del suo alloggiamento.
Secondo un ulteriore realizzazione, un compressore centrifugo comprende uno statore recante l’alloggiamento di una tenuta, una tenuta disposta entro tale alloggiamento e avente una parte abradibile lungo una circonferenza interna, un rotore avente una molteplicità di denti rotorici configurati per ruotare entro la circonferenza interna della tenuta e configurati per ricavare delle gole di abrasione entro la parte abradibile, una prima molla posta tra lo statore e la tenuta e configurata per facilitare lo spostamento assiale della tenuta, e una tenuta secondaria posta tra un lato a bassa pressione dell’alloggiamento e la tenuta.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I disegni allegati illustrano le realizzazioni esemplificative, dove:
La Figura 1 illustra un compressore multistadio;
La Figura 2 illustra una vista laterale di un gruppo di tenuta rotorico/statorico che fa uso di una tenuta ad abrasione;
La Figura 3 illustra una vista laterale di un gruppo di tenuta rotorico/statorico che fa uso di una tenuta ad abrasione secondo le realizzazioni esemplificative, in una condizione iniziale;
La Figura 4 illustra una vista laterale di un gruppo rotorico che fa uso di una tenuta ad abrasione secondo le realizzazioni esemplificative, in una condizione di funzionamento; e
La Figura 5 illustra un metodo secondo le realizzazioni esemplificative.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento. Gli stessi numeri di riferimento in diversi disegni identificano gli stessi elementi o elementi simili. Ulteriormente, la seguente descrizione dettagliata non limita l’invenzione. Il campo d’applicazione dell’invenzione è invece definito dalle rivendicazioni allegate.
Nelle realizzazioni esemplificative, è possibile ridurre il trafilamento tra denti rotorici e gole di abrasione in un gruppo rotorico utilizzando un meccanismo a pressione per ottenere attivamente il controllo del posizionamento assiale della dentatura rotorica rispetto alle gole di abrasione.
Una analisi computazionale fluidodinamica (computational fluid dynamics, CFD) dell’impatto sulla gola di abrasione indica che il posizionamento assiale tra denti e gola gioca un ruolo importante nella perdita di prestazioni. Uno spostamento assiale del dente del rotore dopo la formazione iniziale delle gole può ridurre il ‘debito’ di prestazioni.
Le realizzazioni esemplificative possono fare uso di un meccanismo a pressione per ottenere attivamente il controllo del posizionamento assiale dei denti rotorici rispetto alla gola di abrasione, come illustrato nel sistema di tenuta 300 della Figura 3. Il sistema di tenuta 300 può comprendere il rotore 310 e lo statore 320. Il rotore 310 può comprendere una molteplicità di denti rotorici 315, che possono essere radiali. Lo statore 320 può comprendere una tenuta statorica 323, posta entro un alloggiamento 323.
Come descritto in precedenza, la tenuta statorica può comprendere una parte abradibile, o rivestimento, 325. La tenuta statorica 323 può comprendere una fascia (costituita da due o più sezioni) dotata, in alcune esecuzioni, di un rivestimento abradibile sulla circonferenza interna. La fascia può essere in acciaio. Il rivestimento abradibile della circonferenza interna può essere un materiale metallico poroso, come Alluminio, Cobalto, o rivestimenti a spruzzo a base di Nickel porosi; in alternativa può essere a base di plastica (per esempio Teflon, Poliestere).
In altre esecuzioni la fascia può essere realizzata (tutta o in parte) in materiale abradibile. Il materiale abradibile può essere ad esempio Fluorosint-500, un Teflon rinforzato con mica.
La tenuta statorica può essere posta entro l’alloggiamento 330 e spostata radialmente per allontanarla da una parte superiore 335 dell’alloggiamento per mezzo di un meccanismo a molla 340. I denti rotorici 315 possono ricavare le gole di abrasione 327 nella parte abradibile dello statore 325. In una realizzazione esemplificativa, è possibile progettare o ricavare uno spazio assiale 360 tra la tenuta statorica 320 e l’alloggiamento della tenuta 330, per mezzo di una molla 350 orientata assialmente.
Durante il montaggio, si può spingere (o posizionare) la tenuta statorica 323 verso il lato (P+) ad alta (o maggiore) pressione dell’alloggiamento 330, per mezzo della molla 350, orientata assialmente. La molla 350 può essere posta tra la tenuta 323 e il lato (P-) a pressione bassa (o inferiore) dell’alloggiamento 330. In questa fase, la molla 350 può trovarsi nel suo stato originale o essere leggermente compressa. La molla 350 orientata assialmente può posizionare la tenuta statorica 323 verso il lato a maggior pressione.
Durante il funzionamento, all’avviamento (cioè quando il rapporto di compressione è basso), i denti rotorici 315 possono incidere la parte abradibile 325 nella fase di vibrazione critica, ricavando le gole di abrasione 327. Alla velocità di partenza, la differenza di pressione (tra P+ e P-) è relativamente bassa, rendendo così possibile mantenere la tenuta nella sua posizione verso il lato a pressione più alta. A queste velocità e con la tenuta statorica in questa posizione, i denti rotorici 315 possono portarsi in mezzo alle gole di abrasione 327.
Alla velocità di progetto aumenta la differenza di pressione (tra P+ e P-). Come mostrato nella Figura 4, l’aumento della pressione attraverso la tenuta 323 dal lato ad alta pressione (P+) può spingere la tenuta 323 a spostarsi assialmente verso il lato a bassa pressione (P-). All’aumentare della pressione, la molla 350 può iniziare a contrarsi (cioè non si trova più nel suo stato originale).
Lo spostamento assiale (dal lato a maggior pressione P+ verso il lato a pressione minore P-) riduce lo spazio presente tra i denti rotorici 315 e le gole di abrasione 327. I denti rotorici 315 non si trovano nel mezzo delle gole di abrasione 327 come illustrato.
La distanza tra i denti rotorici (o le loro estremità) e la zona della parte abradibile che si trova di fronte ai denti rotorici di Figura 4 è più ridotta rispetto alla distanza tra la dentatura rotorica e la mezzeria delle gole di abrasione della Figura 3. Di conseguenza, il trafilamento può diminuire. Il trafilamento può essere controllato dalla rigidità della molla e dal rapporto di compressione durante il funzionamento.
In alcune realizzazioni, è anche possibile includere una tenuta secondaria tra la tenuta 323 e l’alloggiamento 330, per fornire un’ulteriore riduzione del trafilamento, come mostrato nelle Figure 3 e 4. In riferimento alla Figura 4, la tenuta 370 può bloccare il trafilamento tra la tenuta 323 e l’alloggiamento 330 alla velocità di progetto. La tenuta secondaria 370, quindi, riduce ulteriormente il trafilamento.
Mentre lo spostamento assiale, come descritto nelle realizzazioni esemplificative, può aggiungersi a quello radiale, in alcune realizzazioni lo spostamento assiale può essere implementato da solo (cioè senza spostamento radiale). Lo spostamento assiale riduce lo spazio radiale e riduce il “debito” del trafilamento in entrambi i casi (cioè con o senza lo spostamento radiale).
Con riferimento alla Figura 5 si può descrivere un metodo 500 secondo le realizzazioni esemplificative. Nella fase 510, durante il montaggio, si può ricavare uno spazio assiale tra la tenuta e il suo alloggiamento in un compressore centrifugo, spostando la tenuta verso il lato ad alta pressione dell’alloggiamento, per mezzo di una molla orientata assialmente (nel suo stato originale o leggermente compressa). Nella fase 520 si può avviare il compressore. Nella fase 530, la dentatura rotorica può ricavare delle gole nella parte abradibile della tenuta statorica.
Nella fase 540 si può aumentare la velocità del compressore (e quindi la pressione). Nella fase 550, mentre la velocità del compressore si porta verso quella di progetto, la molla della tenuta può comprimersi con l’aumentare della pressione e la tenuta si sposta verso il lato a bassa pressione. Lo spazio tra dentatura rotorica e la parte abradibile può diminuire e la tenuta secondaria può fornire la protezione aggiuntiva contro il trafilamento, come descritto in precedenza.
L’analisi CFD dimostra che il posizionamento assiale della tenuta ad abrasione rispetto alla gola di abrasione, ottenuto grazie al meccanismo a pressione delle realizzazioni esemplificative, migliora le prestazioni della tenuta.
Altre realizzazioni esemplificative riguardano il controllo della posizione assiale nella progettazione della tenuta ad abrasione. Mentre gli sforzi precedenti si sono indirizzati verso la minimizzazione della luce radiale tra dentatura rotorica e tenuta ad abrasione, le realizzazioni qui descritte introducono un meccanismo di posizionamento assiale a pressione, che porta a minimizzare lo spazio di tenuta indipendentemente dalla vibrazione critica del compressore o dai transitori termici.
Le realizzazioni esemplificative come quelle qui descritte forniscono vari vantaggi. Un sistema di tenuta secondo le realizzazioni esemplificative riduce il trafilamento provocato dalle gole di abrasione a quello di una tenuta ad abrasione non elastica. Il sistema ottimizza anche le prestazioni della tenuta ad abrasione elastica (a molla) per un occhio della girante di un compressore centrifugo.
Si può migliorare l’efficienza di uno stadio di un compressore centrifugo disponendo un meccanismo attivo di posizionamento assiale per minimizzare il gioco della tenuta, come descritto nelle realizzazioni esemplificative.
In alcune realizzazioni si può porre nella tenuta statorica una molteplicità di meccanismi di posizionamento assiale. Per esempio, la molteplicità di meccanismi di posizionamento assiale può essere distribuita (o distanziata) in modo uniforme lungo la tenuta.
Secondo le realizzazioni esemplificative, l’implementazione del meccanismo di posizionamento assiale non è limitato ai compressori di nuova costruzione. Si possono riadattare compressori esistenti, dotati di tenute ad anello, in modo da montare il meccanismo di posizionamento assiale. Inoltre è possibile applicare anche alle macchine a turbina in generale il meccanismo di posizionamento attivo delle realizzazioni esemplificative, sebbene sia stato descritto in relazione ai compressori centrifughi.
Le realizzazioni esemplificative sopra descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, le presente invenzione. Pertanto la presente invenzione ammette molte variazioni nell’implementazione dettagliata, che possono essere desunte da una persona esperta in materia in base alla descrizione qui contenuta. Tutte le siffatte variazioni e modifiche devono essere considerate entro lo scopo e lo spirito della presente invenzione come definite nelle seguenti rivendicazioni. Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, come quivi indicato, l’articolo “a” si intende comprensivo di uno o più oggetti.
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Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di tenuta per compressore centrifugo comprendente: uno statore recante un alloggiamento di tenuta; una tenuta posta nell’alloggiamento e avente una parte abradibile lungo la sua circonferenza interna; un rotore avente una molteplicità di denti rotorici configurati per ruotare entro la circonferenza interna della tenuta e configurati per ricavare gole di abrasione entro la parte abradibile; e una prima molla posta tra lo statore e la tenuta e configurata per facilitare lo spostamento assiale della tenuta. 2. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 1, in cui all’avviamento del compressore la prima molla applica una spinta assiale preventiva diretta verso il lato ad alta pressione dell’alloggiamento. 3. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 2, in cui la prima molla si trova in una condizione espansa all’avviamento del compressore. 4. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 2, in cui, quando il compressore raggiunge la velocità di progetto, la tenuta è configurata per spostarsi verso il lato a bassa pressione dell’alloggiamento. 5. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 4, in cui la prima molla si trova in una condizione compressa alla velocità di progetto del compressore. 6. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 1, comprendente inoltre: una tenuta secondaria posta tra un lato a pressione inferiore dell’alloggiamento e la tenuta. 7. Il sistema di tenuta della Rivendicazione 1, in cui la tenuta è una fascia in materiale abradibile. 8. Un metodo per ridurre il trafilamento tra una tenuta posta in un alloggiamento statorico e un rotore di un compressore centrifugo, in cui il rotore ruota entro la circonferenza interna della tenuta, comprendente: l’applicazione alla tenuta di una spinta preventiva verso il lato ad alta pressione dell’alloggiamento, per effetto del carico di una molla, per ricavare uno spazio assiale tra la tenuta e l’alloggiamento; l’avviamento del compressore; il taglio di gole di abrasione radiali in una parte abradibile della tenuta; l’aumento della velocità del compressore; e lo spostamento della tenuta verso il lato a bassa pressione del suo alloggiamento. 9. Il metodo della rivendicazione 8, in cui un aumento della differenza di pressione tra i lati della tenuta sposta la tenuta verso una regione a bassa pressione. 10. Un compressore centrifugo comprendente: uno statore recante un alloggiamento di tenuta; una tenuta posta nell’alloggiamento e avente una parte abradibile lungo la sua circonferenza interna; un rotore avente una molteplicità di denti rotorici configurati per ruotare entro la circonferenza interna della tenuta e configurati per ricavare gole di abrasione entro la parte abradibile; una prima molla posta tra lo statore e la tenuta e configurata per facilitare lo spostamento assiale della tenuta; e una tenuta secondaria posta tra un lato a pressione inferiore dell’alloggiamento e la tenuta. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A sealing system for a centrifugal compressor comprising: a stator having a seal housing; a seal disposed in the seal housing and having an abradable portion along an inner circumference; a rotor having a plurality of rotor teeth configured to rotate within the inner circumference of the seal and configured to create rub grooves within the abradable portion; and a first spring disposed between the stator and the seal and configured to facilitate axial movement of the seal.
  2. 2. The sealing system of claim 1, wherein the first spring biases the seal axially toward a high pressure side of the seal housing at startup of the compressor.
  3. 3. The sealing system of claim 2, wherein the first spring is in an expanded state at the startup of the compressor.
  4. 4. The sealing system of claim 2, wherein the seal is configured to move toward a low pressure side of the seal housing at a design speed of the compressor.
  5. 5. The sealing system of claim 4, wherein the first spring is in a compressed state at design speeds of the compressor.
  6. 6. The sealing system of claim 1, further comprising: a secondary seal located between a lower pressure side of the seal housing and the seal.
  7. 7. The sealing system of claim 1, wherein the seal is an insert ring made of abradable material.
  8. 8. A method for reducing leakage flow between a seal housed within a stator seal housing and a rotor of a centrifugal compressor wherein the rotor rotates within an inner circumference of the seal, the method comprising: biasing the seal toward a high pressure side of the seal housing by a spring load to create an axial gap between the seal and the seal housing; starting the compressor; cutting radial rub grooves in an abradable portion of the seal; increasing a speed of the compressor; and moving the seal toward a low pressure side of the seal housing.
  9. 9. The method of claim 8, wherein an increased pressure difference between sides of the seal moves the seal toward a low pressure region.
  10. 10. A centrifugal compressor comprising: a stator having a seal housing; a seal disposed in the seal housing and having an abradable portion along an inner circumference; a rotor having a plurality of rotor teeth configured to rotate within the inner circumference of the seal and configured to create rub grooves within the abradable portion; a first spring disposed between the stator and the seal and configured to facilitate axial movement of the seal; and a secondary seal located between a lower pressure side of the housing and the seal.
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