ITCO20120054A1

ITCO20120054A1 - Metodi per produrre pale di turbomacchine mediante wire electric discharge machining, pale e turbomacchine

Info

Publication number: ITCO20120054A1
Application number: IT000054A
Authority: IT
Inventors: Massimo Arcioni; Massimiliano Cecconi; Enrico Giusti; Marco Grilli
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2014-05-01
Also published as: RU2015113234A; RU2692597C2; BR112015007968A2; BR112015007968B1; CN104822901B; CA2888416A1; MX2015005512A; US20150267540A1; WO2014067868A1; KR20150102965A; JP2015533398A; BR112015007968B8; EP2920424A1; PL2920424T3; JP6263192B2; CA2888416C; EP2920424B1; CN104822901A

Description

METODI PER PRODURRE PALE DI TURBOMACCHINE MEDIANTE WIRE ELECTRIC DISCHARGE MACHINING, PALE E TURBOMACCHINE / METHODS OF MANUFACTURING BLADES OF TURBOMACHINES BY WIRE ELECTRIC DISCHARGE MACHINING, BLADES AND TURBOMACHINES /

DESCRIZIONE DETTAGLIATA -CAMPO TECNICO

Forme di realizzazione dell'oggetto divulgato dal presente si riferiscono in generale a pale per turbomacchine, turbomacchine che utilizzano tali pale e metodi di produzione delle medesime pale; piÃ¹ precisamente si riferiscono a pale statoriche per turbine a vapore, turbine a vapore che utilizzano tali pale e metodi di produzione delle medesime pale.

ARTE NOTA

Nelle turbine a vapore, in corrispondenza del relativo ultimo stadio (o negli ultimi stadi), ha luogo una condensazione parziale del vapore.

Nella fattispecie il vapore condensa sulla porzione aerodinamica delle pale statoriche di un cosiddetto «stadio di condensazione», di norma l'ultimo stadio della turbina.

Se, come conseguenza della condensazione, si producono delle goccioline, queste lasciano le pale statoriche statiche e colpiscono le pale del rotore rotanti, che possono subire danni.

Per contenere i danni causati dalle goccioline, Ã ̈ possibile ridurre la velocitÃ di rotazione delle pale del rotore; tuttavia si ridurrÃ in tal modo anche l'efficienza della turbina.

In alternativa, per contenere un eventuale danneggiamento delle pale del rotore, esistono delle soluzioni di raccolta della condensa precedenti la formazione delle goccioline.

La soluzione piÃ¹ caratteristica consiste nell'impiego di pale statoriche cave, nelle quali Ã ̈ probabile che si formi la condensa, prevedendo fori e/o fessure attraverso la porzione aerodinamica delle pale che si estende dalla superficie aerodinamica fino alla cavitÃ interna, e aspirando la cavitÃ interna in modo che un'eventuale condensa si sposti dalla superficie aerodinamica e coli nella cavitÃ interna. In tal modo si previene la formazione e la diffusione di goccioline sulla superficie aerodinamica delle pale statoriche; per esattezza, non Ã ̈ possibile impedire del tutto la formazione di goccioline, ma si riduce notevolmente.

Tradizionalmente la produzione di una pala statorica cava per turbine a vapore inizia sempre da due fogli di metallo; si stampano i due fogli di metallo in modo da formare due semi-gusci; si saldano insieme i due semigusci e, infine, spesso si esegue una qualche forma di finitura.

Talvolta, piÃ¹ recentemente, Ã ̈ stato impiegato un metodo di produzione differente (si veda la figura 1), consistente nel:

- prendere due barre di metallo,

- fresarle separatamente, in modo da definire la superficie della cavitÃ interna (si veda la figura 1A),

- saldarle insieme, in modo da ottenere un pezzo cavo (si veda, per es., la figura 1B),

- fresare il pezzo cavo, in modo da definire la superficie aerodinamica (si veda, per es., la figura 1 C).

Questo metodo di produzione consente di definire con una certa precisione la superficie interna della pala, ovvero la superficie della cavitÃ interna, e la superficie esterna della pala, ovvero la superficie aerodinamica. In ogni caso Ã ̈ alquanto costosa, considerato che l'operazione di fresatura (internamente ed esternamente) Ã ̈ relativamente lenta.

Nelle turbine, in particolar modo nelle turbine a gas, le pale cave si utilizzano talvolta per le pale del rotore per ridurre il peso dell'elemento rotante. Generalmente queste pale cave si ottengono tramite fusione, nella fattispecie «investment casting», per ottenere un elemento rotante dalla forma e dalle dimensioni estremamente precise; in ogni caso questo metodo di produzione Ã ̈ molto costoso, specialmente se impiegato per la produzione di lotti modesti (per esempio da 100 a 1000 pezzi).

RIEPILOGO

Ne consegue che sussiste un'esigenza generale di una soluzione per pale, in particolar modo pale cave per turbina a vapore, che semplifichi la produzione e ne riduca i costi, senza compromettere la precisione delle forme e/o delle dimensioni. In particolar modo Ã ̈ necessario un metodo di produzione che non richieda stampi e che invece preveda una fresatura e/o una finitura limitate o del tutto assenti, e che sia diverso dalla fusione.

Sarebbe inoltre auspicabile ottenere una pala cava in un unico pezzo, in cui si integrassero non soltanto la porzione aerodinamica, ma anche una radice e una porzione avvolgente.

In ogni caso, se la porzione aerodinamica, la radice e la porzione avvolgente dovessero essere tre elementi separati, sarebbe auspicabile che fossero facilmente congiungibili.

Infine sarebbe auspicabile arrivare a produrre facilmente moduli comprendenti una serie di pale cave per turbina a vapore.

Occorre considerare che uno degli obiettivi ultimi consiste nella produzione di un'intera turbina a vapore dalle buone prestazioni in modo relativamente semplice e a costi ragionevoli.

Gli inventori in oggetto hanno preso spunto dalla constatazione che per una pala cava per turbina a vapore la forma sulla superficie della cavitÃ interna non Ã ̈ un elemento particolarmente critico, essendo una cavitÃ alquanto diversa dalla cavitÃ interna di altre tipologie di pale cave. Al contrario, la forma della superficie aerodinamica Ã ̈ molto importante.

Alla luce di queste considerazioni, hanno pensato di (A) realizzare la pala in un unico pezzo, (B) utilizzare la fresatura per la superficie aerodinamica, in modo da definirne con estrema precisione la forma, (C) impiegare la tecnologia Wire Electric Discharge Machining, ovvero Wire EDM, per la cavitÃ interna, in modo che la sua realizzazione risultasse sufficientemente semplice e la forma sufficientemente precisa, ovvero in modo che la superficie interna della pala coincidesse sufficientemente bene con la superficie esterna della pala.

Impiegando la tecnologia Wire EDM si otterrÃ una «superficie rigata» come superficie della cavitÃ interna.

In tal modo la produzione della pala non richiede nessuna saldatura, la precisione della superficie (o delle superfici) lavorata(e) della pala Ã ̈ estremamente elevata e lo spessore della parete laterale della porzione aerodinamica della pala puÃ² essere molto modesto.

Questo metodo di produzione Ã ̈ particolarmente idoneo e conveniente per una produzione di lotti modesti (per esempio da 100 a 1000 pezzi).

Successivamente gli inventori in oggetto si sono resi conto che il Wire EDM era idoneo per formare non soltanto la superficie interna di una pala cava per turbina, ma anche per formare la superficie interna ed esterna di una pala, anche nel caso di pale lunghe (per esempio fino a 1000 mm), a condizione che queste superfici fossero progettate come «superfici rigate» o in modo da approssimarsi molto a questo tipo di superficie.

Un primo aspetto della presente invenzione Ã ̈ dato da una pala per turbomacchina.

Secondo forme di realizzazione della medesima, una pala per una turbomacchina comprende una porzione aerodinamica, in cui detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica e laddove detta superficie aerodinamica Ã ̈ una superficie rigata.

Secondo forme di realizzazione alternative della medesima, una pala per una turbomacchina comprende una porzione aerodinamica, in cui detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta superficie aerodinamica presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata.

Detta superficie aerodinamica puÃ² essere una superficie rigata.

La pala puÃ² essere predisposta come pala statorica per una turbina a vapore comprendente una radice, una porzione avvolgente e una porzione aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , detta prima estremitÃ essendo adiacente a detta radice e detta seconda estremitÃ essendo adiacente a detta porzione avvolgente, laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso della lunghezza, e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata. In qualsiasi punto della porzione aerodinamica la distanza (misurata trasversalmente rispetto alla pala) tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata puÃ² essere variabile.

In qualsiasi punto della porzione aerodinamica la distanza (misurata trasversalmente rispetto alla pala) tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata puÃ² essere maggiore di 1 mm e minore di 5 mm.

In corrispondenza di detta prima estremitÃ Ã ̈ presente una sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata; detta prima sfasatura puÃ² essere costante e puÃ² essere compresa tra 1 mm e 5 mm. In corrispondenza di detta seconda estremitÃ Ã ̈ presente una seconda sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata; detta seconda sfasatura puÃ² essere costante e puÃ² essere compresa tra 1 mm e 5 mm.

Detta radice, detta porzione avvolgente e detta porzione aerodinamica possono essere costituite in un unico pezzo e detta superficie rigata puÃ² estendersi altresÃ¬ attraverso detta radice e detta porzione avvolgente.

Detta radice e detta porzione avvolgente possono essere congiunte a detta porzione aerodinamica in corrispondenza delle suddette prima e seconda estremitÃ . In tal caso detta radice presenta un primo foro (passante) di forma corrispondente alla forma di detta superficie rigata in corrispondenza di detta prima estremitÃ e detta porzione avvolgente presenta un secondo foro (passante) di forma corrispondente alla forma di detta superficie rigata in corrispondenza di detta seconda estremitÃ .

Detta radice puÃ² comprendere un primo tubo con una superficie esterna coincidente con detta superficie rigata di detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta prima estremitÃ . In tal caso detto primo tubo puÃ² presentare un primo foro passante definito lateralmente da una superficie rigata.

Detta porzione avvolgente puÃ² presentare un secondo tubo con una superficie esterna coincidente con detta superficie rigata di detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta seconda estremitÃ . In tal caso detto secondo tubo puÃ² presentare un secondo foro passante definito lateralmente da una superficie rigata.

La pala puÃ² comprendere un'unica radice, un'unica porzione avvolgente e una pluralitÃ di porzioni aerodinamiche, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , ciascuna delle suddette prime estremitÃ essendo adiacenti a detta radice e ciascuna delle suddette seconde estremitÃ essendo adiacente a detta porzione avvolgente, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza, e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata.

Detta radice puÃ² essere o comprendere una piastra sostanzialmente piatta o curva e provvista di un foro.

Detta porzione avvolgente puÃ² essere o comprendere una piastra sostanzialmente piatta o ricurva e provvista di un foro.

Di norma detta porzione aerodinamica Ã ̈ provvista di fori o fessure che si estendono da detta superficie aerodinamica verso detta cavitÃ interna.

Un secondo aspetto della presente invenzione Ã ̈ dato da una turbomacchina. Secondo le relative forme di realizzazione, una turbomacchina comprende una pluralitÃ di pale come esposto in precedenza.

La turbomacchina puÃ² essere predisposta come turbina a vapore e puÃ² comprendere una pluralitÃ di pale statoriche come esposto in precedenza (in particolar modo con una cavitÃ interna definita lateralmente da una superficie rigata e che integra una radice, una porzione avvolgente e una porzione aerodinamica).

La turbomacchina puÃ² comprendere una pluralitÃ di stadi, laddove le pale statoriche, come esposto in precedenza (in particolar modo con una cavitÃ interna definita lateralmente da una superficie rigata e integrante una radice, una porzione avvolgente e una porzione aerodinamica) si utilizzano soltanto per gli ultimi stadi.

La turbomacchina puÃ² comprendere una pluralitÃ di stadi che inizia con un primo stadio e termina con un ultimo stadio, laddove (solo di norma) detto ultimo stadio comprende una pluralitÃ di pale statoriche come illustrato in precedenza (in particolar modo con una cavitÃ interna definita lateralmente da una superficie rigata e integrante una radice, una porzione avvolgente e una porzione aerodinamica)

La turbomacchina puÃ² comprendere un anello interno e una pluralitÃ di pale statoriche come esposto in precedenza, laddove ciascuna radice di dette pale statoriche Ã ̈ fissa (ovvero Ã ̈ stata saldata, inserita e saldata oppure incastrata e saldata) su detto anello interno.

La turbomacchina puÃ² comprendere un anello esterno e una pluralitÃ di pale statoriche come esposto in precedenza, laddove ciascuna porzione avvolgente di dette pale statoriche Ã ̈ fissa (ovvero saldata o inserita e saldata e inserita premendo e saldata) su detto anello esterno.

La turbomacchina puÃ² essere una turbina a flusso assiale.

Un terzo aspetto della presente invenzione Ã ̈ dato da un metodo di produzione di una pala per turbomacchina.

Secondo forme di realizzazione dell'invenzione, [in] un metodo di produzione di una pala dÃ¬ una turbomacchina comprendente una porzione aerodinamica, almeno una superficie esterna o interna di detta porzione aerodinamica si ottiene mediante wire electric discharge machining.

Detta porzione aerodinamica puÃ² estendersi longitudinalmente per una data lunghezza e presentare una prima estremitÃ e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica puÃ² essere definita lateralmente da una superficie aerodinamica e laddove detta superficie aerodinamica puÃ² essere ottenuta mediante wire electric discharge machining.

Detta porzione aerodinamica si puÃ² estendere longitudinalmente per una data lunghezza e presentare una prima estremitÃ e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica puÃ² presentare una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza, laddove detta cavitÃ interna puÃ² essere definita lateralmente da una superficie interna e laddove detta superficie interna puÃ² essere ottenuta mediante wire electric discharge machining.

Il metodo di produzione puÃ² inoltre comprendere le fasi di:

A) predisposizione di una barra di metallo,

B) fresatura esterna di detta barra e

C) lavorazione di detta barra, internamente, mediante wire electric discharge machining, in modo da ottenere un foro passante definito da una superficie rigata.

Detto foro passante puÃ² presentare una lunghezza maggiore di 50 mm e minore di 1000 mm.

Prima della fresatura, il metodo di produzione puÃ² comprendere l'ulteriore fase di forgiatura di detta barra.

La fase B consente di ottenere le superfici esterne della radice, della porzione avvolgente e della porzione aerodinamica citate.

Tramite la fase B Ã ̈ possibile ottenere soltanto una superficie esterna di detta porzione aerodinamica.

In corrispondenza di detta prima estremitÃ Ã ̈ presente una prima sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata e la fase C si puÃ² eseguire in modo da mantenere costante tale prima sfasatura.

In corrispondenza di detta seconda estremitÃ Ã ̈ presente una seconda sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata e la fase C si puÃ² eseguire in modo da mantenere costante tale seconda sfasatura.

Detta radice puÃ² essere saldata (laser) a detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta prima estremitÃ .

Detta porzione avvolgente puÃ² essere saldata (laser) a detta porzione aerodinamica in corrispondenza dÃ¬ detta seconda estremitÃ .

Una pluralitÃ di porzioni aerodinamiche puÃ² essere saldata (laser) alla stessa radice.

Una pluralitÃ di porzioni aerodinamiche puÃ² essere saldata (laser) alla stessa porzione avvolgente.

Detta radice e detta porzione aerodinamica possono essere brasate insieme in corrispondenza di detta prima estremitÃ .

Detta porzione avvolgente e detta porzione aerodinamica possono essere brasate insieme in corrispondenza di detta seconda estremitÃ .

Detta radice puÃ² presentare un primo foro passante e detto primo foro passante puÃ² essere ottenuto mediante wire electric discharge machining. Detta porzione avvolgente puÃ² presentare un secondo foro passante e detto secondo foro passante puÃ² essere ottenuto mediante wire electric discharge machining.

Detta radice puÃ² essere saldata (laser) a un anello interno di una turbina a vapore.

Detta porzione avvolgente puÃ² essere saldata (laser) a un anello esterno di una turbina a vapore.

Mediante la fase B si puÃ² ottenere almeno una superficie esterna di detta porzione aerodinamica; in tal caso la fase ulteriore che prevede la realizzazione di fori o fessure (trasversali), estendentisi da detta superficie esterna a detto foro passante (longitudinale), si effettua dopo la fase C. I fori o le fessure citati si ottengono vantaggiosamente mediante electric discharge machining.

Mediante la fase B si puÃ² ottenere almeno una superficie esterna di detta porzione aerodinamica; in tal caso la fase ulteriore che prevede la realizzazione di fori o fessure (trasversali), estendentisi da detta superficie esterna a detto foro passante (longitudinale), si effettua prima della fase C. I fori o le fessure citati si ottengono vantaggiosamente mediante perforazione al laser o taglio.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni tecnici allegati alla descrizione dettagliata e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano forme di realizzazione della presente invenzione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

la Fig. 1 illustra in modo molto schematico un metodo di produzione di una pala cava per turbina a vapore, che puÃ² essere implementato secondo l'arte nota o secondo la presente invenzione;

la Fig. 2 illustra in modo molto schematico un primo metodo di produzione di una pala cava per turbina a vapore secondo la presente invenzione;

la Fig. 3 illustra in modo molto schematico un secondo metodo di produzione di una pala cava per turbina a vapore secondo la presente invenzione;

la Fig. 4 illustra in modo molto schematico una prima possibilitÃ di assemblaggio di una pala cava per turbina a vapore secondo la presente invenzione, seguendo il metodo di cui alla Figura 2;

la Fig. 5 illustra in modo molto schematico una seconda possibilitÃ di assemblaggio di una pala cava per turbina a vapore secondo la presente invenzione, seguendo il metodo di cui alla Figura 2;

la Fig. 6 illustra in modo molto schematico una prima possibilitÃ di assemblaggio di una pala cava per turbina a vapore secondo la presente invenzione;

la Fig. 7 illustra in modo molto schematico e parziale un primo stadio di turbina a vapore secondo la presente invenzione;

la Fig. 8 illustra in modo molto schematico una seconda possibilitÃ di assemblaggio di un modulo composto da pale cave per turbina a vapore secondo la presente invenzione

e

la Fig. 9 illustra in modo molto schematico e parziale un secondo stadio di turbina a vapore secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione Ã ̈ definito dalle rivendicazioni in appendice. Si sottolinea che talvolta, nei disegni allegati, le dimensioni sono state ingrandite per maggiore chiarezza; in altre parole, il rapporto di scala tra i disegni non Ã ̈ perfettamente rispettato.

In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma di realizzazione" indica che una particolare caratteristica, struttura o proprietÃ descritta in relazione a una forma di realizzazione Ã ̈ inclusa in almeno una forma di realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto il ricorso all'espressione "in una forma di realizzazione" in diversi punti della descrizione dettagliata non farÃ necessariamente riferimento alla stessa forma di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture o proprietÃ possono essere combinate in una o piÃ¹ forme di realizzazione in qualsivoglia modalitÃ appropriata.

Le pale di una turbomacchina (un compressore, un espansore, una turbina,...) consistono in/comprendono una porzione aerodinamica. La porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza tra una prima estremitÃ e una seconda estremitÃ ; in genere la sua sezione trasversale varia nel corso della propria lunghezza. Sostanzialmente la porzione aerodinamica presenta una superficie che deve essere formata, la cosiddetta «superficie laterale esterna» o «superficie aerodinamica» della pala, che Ã ̈ molto importante per il funzionamento della porzione aerodinamica. Per alcune applicazioni la porzione aerodinamica Ã ̈ cava, ovvero presenta una cavitÃ interna che, a seconda dell'applicazione e della progettazione specifiche, si estende interamente o parzialmente sulla propria lunghezza; per esempio, nella pala della figura 1, la cavitÃ interna si estende per l'intera lunghezza della pala. La cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie che si puÃ² denominare «superficie laterale interna» o, semplicemente, «superficie interna» della pala; in genere la sezione trasversale della cavitÃ interna varia nel corso della propria lunghezza; in ogni caso, a seconda dell'applicazione e della progettazione specifiche, la variazione nella sezione trasversale della cavitÃ interna puÃ² essere diversa dalla variazione nella sezione trasversale della porzione aerodinamica; in altre parole, lo spessore della parete laterale della porzione aerodinamica puÃ² variare nel corso della propria lunghezza e persino tra punti diversi.

Secondo la presente invenzione almeno una superficie esterna o interna della porzione aerodinamica Ã ̈ ottenuta mediante wire electric discharge machining, ovvero «Wire EDM». CiÃ² vale in particolar modo per le pale di turbomacchine utilizzate per applicazioni nel settore «Petrolio e gasdotti»; per quanto concerne l'ultimo stadio di una turbina a vapore, le pale statoriche hanno una lunghezza compresa tra 50 mm e 1000 mm.

Una prima possibilitÃ consiste nel formare mediante Wire EDM soltanto la superficie esterna, ovvero la superficie aerodinamica; per esempio, la tecnica Wire EDM si puÃ² utilizzare, nella figura 1, per lavorare il pezzo della figura 1B e ottenere il pezzo della figura 1C e, nella figura 2, per lavorare il pezzo della figura 2A e ottenere il pezzo della figura 2B.

Una seconda possibilitÃ consiste nel formare mediante Wire EDM soltanto la superficie interna, ovvero la superficie della cavitÃ interna; per esempio, la tecnica Wire EDM si puÃ² utilizzare, nella figura 1, per lavorare due barre separate e ottenere i due pezzi della figura 1A e, nella figura 2, per lavorare il pezzo della figura 2B e ottenere il pezzo della figura 2C.

Una terza possibilitÃ consiste nel formare mediante Wire EDM sia la superficie esterna, sia la superficie interna della porzione aerodinamica. La tecnica Wire EDM consente di ottenere soltanto una «superficie rigata»; occorre sottolineare che questa espressione non indica solo una superficie rigata «semplice», ma anche superfici rigate «complesse» derivanti dalla combinazione dÃ¬ due o piÃ¹ superfici rigate, per esempio un'ampia superficie conica nella parte inferiore e una piccola superficie cilindrica sulla sommitÃ . Anche se la tecnologia Wire EDM consente di ottenere numerose superfici diverse, se deve essere impiegata occorre tenere conto della progettazione della pala; per esempio, lo scopo dovrebbe essere individuare forme ideali delle superfici della pala che siano superfici esattamente rigate o che siano sufficientemente simili a superfici rigate. Quando questo obiettivo non Ã ̈ realizzabile, si puÃ² fare ricorso alla fresatura anzichÃ© alla tecnologia Wire EDM; si noti che, a seconda dell'applicazione specifica, puÃ² essere necessario optare per la fresatura, in alternativa alla tecnologia Wire EDM, per qualsiasi superficie della pala. Ãˆ certo che la tecnologia Wire EDM puÃ² essere impiegata molto vantaggiosamente quando la precisione di forma e dimensioni non Ã ̈ elevatissima, come nel caso della superficie della cavitÃ interna di una pala statorica di una turbina a vapore.

Facendo riferimento alla figura 2, un metodo di produzione di una pala 201 , consistente soltanto in una porzione aerodinamica 202, comprende le fasi di:

A) predisposizione di una barra di metallo (figura 2A),

B) fresatura esterna di detta barra (figura 2B) e

C) lavorazione di detta barra, internamente, mediante wire electric discharge machining, in modo da ottenere un foro passante 205 definito da una superficie rigata (figure 2C).

Facendo riferimento alla figura 3, un metodo di produzione di una pala 301 comprende le fasi di: predisposizione di una barra di metallo, forgiatura della barra (figura 3A), fresatura esterna della barra (figura 3B) e applicazione della tecnica wire electric discharge machining internamente alla barra, in modo da ottenere un foro passante 305, definito da una superficie rigata (figura 3C).

Secondo la forma di realizzazione della figura 3, la preventiva forgiatura e la successiva fresatura consentono di ottenere non solo la superficie esterna della porzione aerodinamica 302, ma anche le superfici esterne di una radice 303 e una porzione avvolgente 304, entrambe adiacenti alla porzione aerodinamica 302; il foro passante 305 si estende non soltanto per tutta la lunghezza della porzione aerodinamica 302, ma anche internamente alla radice 303 e alla porzione avvolgente 304; in tal caso la radice e la porzione avvolgente sono parti integranti della porzione aerodinamica.

Secondo le forme di realizzazione della presente invenzione, in cui la porzione aerodinamica non Ã ̈ integrata con la radice e la porzione avvolgente, si utilizza una fase del metodo di produzione per formare soltanto la superficie esterna della porzione aerodinamica (si veda la figura 2B).

In tal caso, in corrispondenza di una prima estremitÃ (2021 nella figura 2C) della porzione aerodinamica Ã ̈ presente una prima sfasatura tra la superficie aerodinamica e la superficie rigata e la tecnologia Wire EDM puÃ² essere applicata in modo da mantenere costante questa prima sfasatura. In tal caso, in corrispondenza di una seconda estremitÃ (2022 nella figura 2C) della porzione aerodinamica Ã ̈ presente una seconda sfasatura tra la superficie aerodinamica e la superficie rigata e la tecnologia Wire EDM puÃ² essere applicata in modo da mantenere costante questa seconda sfasatura.

Generalmente queste due caratteristiche vengono implementate insieme. La forma di realizzazione della figura 4 Ã ̈ una pala 401 comprendente una porzione aerodinamica 402, una radice 403 e una porzione avvolgente 404; la porzione aerodinamica 402 puÃ² essere prodotta in modo analogo alla porzione aerodinamica 202 della figura 2.

La radice 403 Ã ̈ saldata, vantaggiosamente con saldatura al laser, sulla porzione aerodinamica 402 in corrispondenza di una prima estremitÃ 4021 della medesima.

La porzione avvolgente 404 Ã ̈ saldata, vantaggiosamente con saldatura al laser, sulla porzione aerodinamica 402 in corrispondenza di una seconda estremitÃ 4022 della medesima.

Un approccio produttivo analogo si utilizza per la pala 601 nella figura 6. In tal caso la pala comprende una pluralitÃ di porzioni aerodinamiche 602 (si veda la figura 6A), nella fattispecie tre (la quantitÃ idonea Ã ̈ compresa tra due e cinque); le porzioni aerodinamiche 602 sono saldate, vantaggiosamente con saldatura al laser, su una medesima porzione avvolgente 604 (si veda la figura 6B); lo stesso dicasi per un'unica radice 603; in tal modo si ottiene la soluzione multi-pala, ovvero il «modulo pala», 601 (si veda la figura 6C). Occorre notare che la radice 603 e la porzione avvolgente 604 hanno la forma di piastre ricurve.

Un modo alternativo per congiungere la porzione aerodinamica con la radice e/o la porzione avvolgente Ã ̈ data dalla brasatura.

Secondo la forma di realizzazione della figura 5, una pala 501 si ottiene predisponendo una porzione aerodinamica 502, in modo da essere simile alla porzione aerodinamica 202 della figura 2, e sottoponendola a brasatura in corrispondenza di una prima estremitÃ 5021 su una radice 503 e, in corrispondenza di una seconda estremitÃ 5022, su una porzione avvolgente 504.

Secondo la particolare forma di realizzazione della figura 5, la radice 503 comprende una piastra (sostanzialmente piatta) 5031 e un tubo 5032; il tubo 5032 Ã ̈ inserito nella cavitÃ interna 505 della porzione aerodinamica 502. Il tubo 5032 presenta, di preferenza, una superficie esterna combaciante con la superficie rigata della cavitÃ interna 505 della porzione aerodinamica 502 in corrispondenza della prima estremitÃ 5021 ; in tal modo si ottiene una buona brasatura. Ãˆ possibile ottenere un'eccellente corrispondenza se si utilizza la tecnologia Wire EDM per formare la superficie interna della cavitÃ interna 505 e se si utilizza la fresatura per formare la superficie esterna del tubo 5032; di fatto le macchine per Wire EDM e le frese sono computerizzate e, pertanto, consentono di impostare forme uguali (o due forme molto simili) relativamente a superfici distinte di due pezzi diversi. Anche il tubo 5032 di norma Ã ̈ cavo, come illustrato nella figura 5, e si ottiene mediante Wire EDM.

Secondo la particolare forma di realizzazione della figura 5, la porzione avvolgente 504 comprende una piastra (sostanzialmente piatta) 5041 e un tubo 5042; il tubo 5042 Ã ̈ inserito nella cavitÃ interna 505 della porzione aerodinamica 502. Il tubo 5042 presenta, di preferenza, una superficie esterna combaciante con la superficie rigata della cavitÃ interna 505 della porzione aerodinamica 502 in corrispondenza della prima estremitÃ 5021; in tal modo si ottiene una buona brasatura. Ãˆ possibile ottenere un'eccellente corrispondenza se si utilizza la tecnologia Wire EDM per formare la superficie interna della cavitÃ interna 505 e se si utilizza la fresatura per formare la superficie esterna del tubo 5042; di fatto le macchine per Wire EDM e le frese sono computerizzate e, pertanto, consentono di impostare forme uguali (o due forme molto simili) relativamente a superfici distinte di due pezzi diversi. Anche il tubo 5042 di norma Ã ̈ cavo, come illustrato nella figura 5, e si ottiene mediante Wire EDM.

Si puÃ² ricorrere alla brasatura in alternativa alla saldatura anche per soluzioni multi-pala o «moduli pala», come quello illustrato nella figura 6. In alternativa alla brasatura, per esempio nella forma di realizzazione della figura 5, si puÃ² utilizzare una colla idonea, che deve essere scelta tenendo conto delle condizioni di esercizio (quali temperatura, pressione, materiali fluidi,...) della pala.

Una radice e una porzione avvolgente (o tutte le radici e le porzioni avvolgenti) possono presentare un foro passante come, p. es., nelle forme di realizzazione delle figure 4, 5, 6.

In questi casi, per esempio, questi fori passanti si possono ottenere mediante Wire EDM; Ã ̈ cosÃ¬ possibile ottenere una corrispondenza perfetta tra la forma della cavitÃ interna della porzione aerodinamica in corrispondenza di una estremitÃ e la forma del foro della radice o della porzione avvolgente: sarÃ cosÃ¬ possibile eseguire una saldatura perfetta; di fatto le macchine per Wire EDM sono computerizzate e, pertanto, consentono di impostare forme uguali (o due forme molto simili) per elementi distinti.

La figura 7 illustra un'applicazione della pala 401 della figura 4; in alternativa si possono utilizzare la pala 501 della figura 5 o la soluzione multi-pala, o «modulo pala», 601 della figura 6 in luogo della pala 401 della figura 4. Secondo questa forma di realizzazione tutte le radici 403 delle pale 401 sono saldate, vantaggiosamente mediante saldatura al laser, su un anello interno 708 di una turbina e tutte le porzioni avvolgenti 404 delle pale 401 sono saldate, vantaggiosamente mediante saldatura al laser, su un anello esterno 709 di una turbina; l'accoppiamento tra la radice o la porzione avvolgente e l'anello corrispondente si puÃ² ottenere mediante incastro o semplicemente inserimento in sede.

Nella fattispecie la figura 7 illustra parzialmente la predisposizione delle pale statoriche dell'ultimo stadio di una turbina a vapore (flusso assiale). Si tratta di una predisposizione molto vantaggiosa in ottica costruttiva.

La figura 8 illustra una soluzione multi-pala o «modulo pala» 807 corrispondente alla pluralitÃ di pale 301 della figura 3, reciprocamente adiacenti; le pale 301 possono eventualmente essere saldate insieme.

La figura 9 illustra un'applicazione della soluzione multi-pala o «modulo pala» 807 della figura 8. Secondo questa forma di realizzazione tutte le radici 303 delle pale 301 sono saldate, vantaggiosamente mediante saldatura al laser, su un anello interno 908 di una turbina e tutte le porzioni avvolgenti 304 delle pale 301 sono saldate, vantaggiosamente mediante saldatura al laser, su un anello esterno 909 di una turbina; l'accoppiamento tra la radice o la porzione avvolgente e l'anello corrispondente si puÃ² ottenere, p. es., mediante una conformazione complementare e un inserimento guidato (si veda la figura 9).

Nella fattispecie la figura 9 illustra parzialmente la predisposizione delle pale statoriche dell'ultimo stadio di una turbina a vapore (flusso assiale). Si tratta di una predisposizione molto vantaggiosa in ottica costruttiva.

Qualora si utilizzi la presente invenzione per pale statoriche di una turbina a vapore, di norma sono previsti fori e/o fessure per l'aspirazione della condensa.

Secondo una prima possibilitÃ , fori o fessure trasversali alla pala ed estendentisi dalla superficie esterna della porzione aerodinamica verso la superficie interna della porzione aerodinamica, sono realizzati successivamente alla formatura della cavitÃ interna della pala. In tal caso i fori o le fessure si ottengono mediante electric discharge machining.

Secondo una seconda possibilitÃ , fori o fessure trasversali alla pala ed estendentisi dalla superficie esterna della porzione aerodinamica verso la superficie interna della porzione aerodinamica, di preferenza sono realizzati ... formatura della cavitÃ interna della pala. In tal caso i fori o le fessure si ottengono mediante perforazione al laser o taglio.

Gli anelli interni 708 e 908 e gli anelli esterni 709 e 909 delle figure 7 e 9 presentano cavitÃ interne estendentisi intorno agli anelli e comunicanti con le cavitÃ interne delle pale; tale soluzione si puÃ² utilizzare per la raccolta della condensa o per altri scopi (ad esempio per la circolazione di un fluido).

Utilizzando i metodi di produzione secondo la presente invenzione, si ottengono pale per turbomacchina innovative e originali.

Sostanzialmente almeno una superficie esterna o interna della porzione aerodinamica della pala Ã ̈ una «superficie rigata»; occorre sottolineare che questa espressione non indica solo una superficie rigata «semplice», ma anche superfici rigate «complesse», derivanti dalla combinazione di due o piÃ¹ superfici rigate.

In applicazioni tipiche della presente invenzione la cavitÃ interna, estendentesi interamente sull'intera lunghezza della porzione aerodinamica, Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata (si veda p. es. la figura 2).

La pala puÃ² essere progettata in modo tale che, in qualsiasi punto della porzione aerodinamica, la distanza (misurata trasversalmente alla pala) tra la superficie esterna e la superficie interna, sia variabile; in particolar modo questa distanza di preferenza Ã ̈ maggiore di 1 mm e minore di 5 mm.

In corrispondenza di una prima estremitÃ della porzione aerodinamica Ã ̈ presente una prima sfasatura tra la superficie esterna e la superficie interna; la prima sfasatura Ã ̈ vantaggiosamente costante e, di preferenza, compresa tra 1 mm e 5 mm.

In corrispondenza di una seconda estremitÃ della porzione aerodinamica Ã ̈ presente una seconda sfasatura tra la superficie esterna e la superficie interna; la seconda sfasatura Ã ̈ vantaggiosamente costante e, di preferenza, compresa tra 1 mm e 5 mm.

Secondo forme di realizzazione vantaggiose, la radice, la porzione avvolgente e la porzione aerodinamica della pala costituiscono un unico pezzo; in tal caso la superficie rigata della cavitÃ interna si estende altresÃ¬ attraverso la radice e la porzione avvolgente (si veda p. es. la figura 3). In alternativa la radice e la porzione avvolgente sono congiunte alla porzione aerodinamica in corrispondenza delle rispettive estremitÃ (si vedano le figure 4 e 5).

In tal caso la radice puÃ² presentare un primo foro (passante) di forma corrispondente alla forma della superficie rigata della cavitÃ interna in corrispondenza di detta prima estremitÃ e la porzione avvolgente puÃ² presentare un secondo foro (passante) di forma corrispondente alla forma della superficie rigata della cavitÃ interna in corrispondenza di detta seconda estremitÃ (si veda la figura 4).

E ancora in questo caso, ma secondo un diverso metodo di produzione, la radice comprende un primo tubo la cui superficie esterna combacia con la superficie rigata della cavitÃ interna della porzione aerodinamica in corrispondenza della prima estremitÃ e la porzione avvolgente presenta un secondo tubo la cui superficie esterna combacia con la superficie rigata della cavitÃ interna della porzione aerodinamica in corrispondenza della seconda estremitÃ . In tal caso il primo tubo presenta di norma un primo foro passante definito lateralmente da una superficie rigata e il secondo tubo presenta di norma un secondo foro passante definito lateralmente da una superficie rigata.

I dettagli costruttivi appena descritti si possono implementare non soltanto in «pale individuali» (per esempio 201 nella figura 2, 301 nella figura 3, 401 nella figura 4 e 501 nella figura), ma anche in «soluzioni multi-pala» o «moduli pala» (per esempio 601 nella figura 6 e 807 nella figura 8).

Le pale appena descritte, che si tratti di «pale individuali» o «soluzioni multi-pala», si possono impiegare in modo efficace ed efficiente nelle fasi di turbomacchine (si vedano per esempio la figura 7 e la figura 9), in particolar modo in una predisposizione di pale statoriche degli ultimi stadi, in particolar modo esattamente l'ultimo stadio, di una turbina a vapore.

Claims

CLAIMS/RIVENDICAZIONI 1. Pala per una turbomacchina comprendente una porzione aerodinamica, in cui detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta superficie aerodinamica presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata.
2. La pala secondo la rivendicazione 1 puÃ² essere predisposta come pala statorica per una turbina a vapore comprendente una radice, una porzione avvolgente e una porzione aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , detta prima estremitÃ essendo adiacente a detta radice e detta seconda estremitÃ essendo adiacente a detta porzione avvolgente, laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza, e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata.
3. Pala secondo la rivendicazione 2, in cui in qualsiasi punto della porzione aerodinamica la distanza tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata Ã ̈ variabile.
4. Pala secondo le rivendicazioni 2 o 3, in cui in corrispondenza di detta prima estremitÃ Ã ̈ presente una prima sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata e in corrispondenza di detta seconda estremitÃ Ã ̈ presente una seconda sfasatura tra detta superficie aerodinamica e detta superficie rigata, laddove detta prima e/o seconda sfasatura sono costanti.
5. Pala secondo le rivendicazioni 2, 3 o 4 in cui detta radice, detta porzione avvolgente e detta porzione aerodinamica sono costituite da un unico pezzo e in cui detta superficie rigata si estende altresÃ¬ attraverso detta radice e detta porzione avvolgente.
6. Pala secondo le rivendicazioni 2 o 3 o 4, in cui detta radice e detta porzione avvolgente si congiungono con detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta prima e seconda estremitÃ , laddove detta radice presenta un primo foro di forma corrispondente alla forma di detta superficie rigata in corrispondenza di detta prima estremitÃ , laddove detta porzione avvolgente presenta un secondo foro di forma corrispondente alla forma di detta superficie rigata in corrispondenza di detta seconda estremitÃ .
7. Pala secondo le rivendicazioni 2 o 3 o 4, in cui detta radice comprende un primo tubo con una superficie esterna combaciante con detta superficie rigata di detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta prima estremitÃ e/o in cui detta porzione avvolgente presenta un secondo tubo con una superficie esterna combaciante con detta superficie rigata di detta porzione aerodinamica in corrispondenza di detta seconda estremitÃ .
8. Pala secondo la rivendicazione 8, in cui detto primo e secondo tubo, o uno solo dei due, presenta un secondo foro passante definito lateralmente da una superficie rigata.
9. Pala secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente un'unica radice, un'unica porzione avvolgente e una pluralitÃ di porzioni aerodinamiche, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima e una seconda estremitÃ , ciascuna delle suddette prime estremitÃ essendo adiacenti a detta radice e ciascuna delle suddette seconde estremitÃ essendo adiacente a detta porzione avvolgente, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove ciascuna delle suddette porzioni aerodinamiche presenta una cavitÃ interna, estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza, e laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie rigata.
10. Turbomacchina comprendente una pluralitÃ di pale secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
11. Metodo di produzione di una pala di una turbomacchina comprendente una porzione aerodinamica, in cui almeno una superficie esterna e/o interna di detta porzione aerodinamica si ottiene mediante wire electric discharge machining.
12. Metodo di produzione secondo la rivendicazione 11, in cui detta porzione aerodinamica si estende longitudinalmente per una data lunghezza e presenta una prima estremitÃ e una seconda estremitÃ , laddove detta porzione aerodinamica Ã ̈ definita lateralmente da una superficie aerodinamica, laddove detta porzione aerodinamica presenta una cavitÃ interna estendentesi interamente per il corso di detta lunghezza, laddove detta cavitÃ interna Ã ̈ definita lateralmente da una superficie interna e laddove detta superficie interna Ã ̈ ottenuta mediante wire electric discharge machining.
13. Metodo di produzione secondo la rivendicazione 12, in cui detta porzione aerodinamica Ã ̈ adiacente, su un primo lato, a una radice e, su un secondo lato, a una porzione avvolgente, e in cui la tecnologia wire electric discharge machining Ã ̈ impiegata per praticare un foro passante sia nella radice, sia nella porzione avvolgente, rispettivamente in corrispondenza delle estremitÃ di detta cavitÃ interna.