ITCO20130056A1

ITCO20130056A1 - Sistema di lavaggio integrato per motore con turbina a gas.

Info

Publication number: ITCO20130056A1
Application number: IT000056A
Authority: IT
Inventors: Marco Frattallone; Daniele Marcucci; Pierenzo Morriello; Gianfranco Pittella
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2015-05-05
Also published as: KR102256884B1; KR20160082690A; JP6634013B2; CA2929070A1; WO2015063206A1; US10697319B2; BR112016009046B8; EP3066319B1; RU2016115931A; JP2017500469A; RU2659641C2; CN105658933A; CA2929070C; EP3066319A1; CN105658933B; BR112016009046B1; US20160273381A1; BR112016009046A2; RU2016115931A3

Description

INTEGRATED WASHING SYSTEM FOR GAS TURBINE ENGINE / SISTEMA DI LAVAGGIO INTEGRATO PER MOTORE CON TURBINA A GAS

Descrizione

Ambito dell'invenzione

Le forme d'esecuzione dell'invenzione divulgate nel presente documento si riferiscono a sistemi di lavaggio,

motori con turbina a gas e metodi di lavaggio dei compressori assiali.

Stato dell'arte

Le turbine a gas vengono ampiamente utilizzate per i generatori di corrente, per la compressione dei gas e, in generale, per tutte le applicazioni in cui risulta necessaria una trasmissione meccanica rotativa. Un elemento essenziale di un motore con turbina a gas è il compressore, attraverso il quale, durante il funzionamento, viene aspirata e compressa una grande quantità d'aria. I bruciatori aggiungono calore all'aria compressa e l'espansione dei gas di combustione aziona la turbina, dalla quale può essere estratta potenza utile. La qualità de aria che entra nel compressore rappresenta un fattore molto importante per la durata e l'efficienza della turbina a gas. Quest'aria contiene diversi tipi di materiali in forma di aerosol, come polvere e particelle corrosive. Anche se la maggior parte delle particelle esce dalla turbina a gas con i gas di scarico, una parte di esse può comunque depositarsi sulle pale e le palette del compressore e in particolare sull'estremità anteriore, dove finiscono per accumularsi e deteriorare l'aerodinamica, riducendo così l'efficienza e le prestazioni della macchina e causando importanti danni economici per l'utente. Il flusso di particelle dannose provoca, inoltre, altri problemi come FOD (Foreign Object Damage, danno da corpo estraneo) e corrosione. Per tutte queste ragioni, devono essere prese delle misure finalizzate al controllo della qualità deH'aria che entra nella turbina a gas. Normalmente, l'ingresso della turbina a gas è dotato di filtri de aria che bloccano almeno le particelle di dimensioni superiori a un determinato livello minimo. Ciononostante, molte particelle di dimensioni più ridotte riusciranno a oltrepassare il sistema di filtraggio, aderendo alle pale e alle palette del compressore e accumulandosi su di esse. Questo fenomeno, chiamato "fouling" (sporcamento), rende necessario ricorrere a lavaggi periodici regolari del compressore della turbina a gas per eliminare i depositi di queste particelle sulla pale e sulle palette, per cercare in questo modo di recuperare la maggior parte delle prestazioni originali del compressore. Il lavaggio del percorso del gas del compressore viene generalmente eseguito spruzzando dei fluidi detergenti, attraverso una serie di ugelli che nebulizzano tali fluidi, all'interno della presa d'immissione del compressore, facendo ruotare il rotore e spingendo i fluidi detergenti attraverso il compressore fino a farli uscire dalla parte posteriore della macchina. Normalmente, le operazioni di lavaggio vengono eseguite in due condizioni: una è detta "on-line", perché la pulitura viene eseguita quando la macchina è in funzione, mentre l'altro metodo di lavaggio richiede che la macchina sia ferma ed è pertanto detto "off-line". Il lavaggio "on-line" è considerato come meno efficace rispetto a quello "off-line", perché la macchina funziona a pieno regime e vi sono restrizioni alle posizioni in cui è possibile collocare gli ugelli. Infatti, a causa dell'elevatissima velocità dell'aria, gli ugelli vengono generalmente collocati in posizioni in cui la corrente d'aria presenta una velocità bassa e il liquido di lavaggio può penetrare al centro del flusso d'aria; in caso contrario, per via della turbolenza del flusso d'aria e della forza centrifuga, il liquido di lavaggio si sposterà verso l'area periferica, lontano dalle pale. Inoltre, l'elevata temperatura tende a far evaporare i liquidi di lavaggio. Un vantaggio del metodo "on-line" risiede nel fatto che la macchina può continuare a funzionare. I metodi "off-line" richiedono un blocco momentaneo della produzione, poiché la macchina in questo caso funziona solo con l'avviatore a una percentuale estremamente ridotta della normale velocità a pieno carico. Normalmente, nel lavaggio "off-line" gli ugelli che spruzzano i fluidi detergenti vengono installati davanti alle pale del primo stadio a bassa pressione del compressore. In caso di lavaggio "off-line", durante le operazioni di pulizia, il motore viene fatto ruotare solo per dare ai fluidi detergenti energia sufficiente da scrostare lo sporco, senza provocare turbolenza e senza imprimere al fluido potenti forze centrifughe che potrebbero spingerlo verso l'intelaiatura del compressore, lontano dalle pale che devono essere lavate. La scelta del particolare posizionamento e dell'assemblaggio del sistema di lavaggio risulta importante per l'efficienza del lavaggio e anche per l'integrità della turbina a gas.

Secondo una soluzione prevista dall'arte nota, gli ugelli di aspersione vengono installati all'interno del raccordo di entrata della turbina a gas in una posizione tale che il getto vaporizzato venga diretto verso l'ingresso del compressore, in direzione quasi parallela al flusso d'aria. Lo svantaggio di questa soluzione risiede nel fatto che, in caso di guasto, gli ugelli potrebbero danneggiare la turbina a gas. Un'altra soluzione prevista dall'arte nota, in caso di macchine con ingresso dell'aria radiale, consiste nel fissare gli ugelli sulla voluta radiale interna.

Uno svantaggio di entrambe le soluzioni risiede nel fatto che gli ugelli si trovano nel percorso del flusso interno alla macchina ed è possibile che si crei una distorsione nel flusso in grado di influire sulle prestazioni della macchina.

Pertanto, si avverte la necessità di un sistema di lavaggio migliorato che possa superare i suddetti inconvenienti.

Riepilogo

Integrando una disposizione di ugelli e collettori per l'aspersione del liquido detergente nella struttura di supporto di un filtro d'ingresso all'imbocco del flusso d'aria di un compressore assiale, è possibile ottenere una soluzione molto efficace.

Un primo aspetto della presente invenzione riguarda un sistema di lavaggio.

Il sistema di lavaggio è indicato per un motore con turbina a gas dotato di compressore assiale e include:

- un filtro d'ingresso all'imbocco del flusso d'aria di un compressore assiale per proteggere il compressore dai danni da corpi estranei, con detto filtro comprendente una struttura di supporto e una rete di filtraggio fissata alla struttura di supporto,

- una disposizione di ugelli e collettori, nonché

- un sistema di approvvigionamento del liquido detergente collegato a detta disposizione;

laddove detta disposizione risulta integrata all'interno di detta struttura di supporto. Un secondo aspetto della presente invenzione è rappresentato da un motore con turbina a gas.

Il motore con turbina a gas comprende:

- un compressore assiale,

- una camera in pressione situata all'imbocco del flusso d'aria del compressore assiale,

- un filtro d'ingresso situato nella camera in pressione per proteggere il compressore dai danni da corpi estranei, con detto filtro comprendente una struttura di supporto e una rete di filtraggio fissata alla struttura di supporto, - una disposizione di ugelli e collettori, nonché

- un sistema di approwigionamento del liquido detergente collegato a detta disposizione e integrato all'interno di detta struttura di supporto.

Un terzo aspetto della presente invenzione è rappresentato da un metodo di lavaggio di un compressore assiale di un motore con turbina a gas.

Secondo il metodo, un filtro d'ingresso viene posizionato all'imbocco del flusso d'aria di un compressore assiale e un sistema di approvvigionamento del liquido detergente viene integrato all'interno di detto filtro d'ingresso.

Breve descrizione delle figure

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

la Fig. 1 è una vista longitudinale in sezione trasversale di un motore con turbina a gas,

la Fig. 2 è una vista longitudinale in sezione trasversale di un raccordo di entrata di un motore con turbina a gas secondo l'arte nota precedente,

la Fig. 3 è una vista longitudinale in sezione trasversale di un'area di ingresso di un motore con turbina a gas secondo l'arte nota precedente,

la Fig. 4 è una vista prospettica dell'area di ingresso di una realizzazione di una turbina a gas (in particolare, viene mostrato un filtro FOD all'interno della camera in pressione),

la Fig. 5 è una vista esplosa di alcuni componenti del motore con turbina a gas illustrato nella Fig. 4,

la Fig. 6 è una vista prospettica di una realizzazione di un filtro FOD corrispondente a quello illustrato nella Fig. 4 e nella Fig. 5,

la Fig. 7 è un dettaglio di una nervatura che forma la struttura di supporto del filtro FOD della Fig. 6 e

la Fig. 8 [ una vista in sezione trasversale della nervatura della Fig. 7.

Descrizione dettagliata

La seguente descrizione delle forme d'esecuzione esemplificative fa riferimento ai disegni di accompagnamento.

La seguente descrizione non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni in appendice.

In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma d'esecuzione" indica che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una forme d'esecuzione è inclusa in almeno una forma d'esecuzione dell'oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo dell'espressione "in una forma d'esecuzione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima forma d'esecuzione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più forme d'esecuzione in qualsivoglia modalità appropriata.

In riferimento alla Figura 1, viene mostrato un motore con turbina a gas aeroderivata generalmente indicato con il numero di riferimento 100. La freccia 1 rappresenta il flusso d'aria che entra nel raccordo di entrata del motore con turbina a gas 100. Gli elementi di base di un motore con turbina a gas sono il compressore 3, i combustori 4 e la turbina 5. Il motore con turbina a gas 100 include un albero 2 che aziona le pale del compressore 3. L'aria compressa viene riscaldata dai combustori 4 e i gas caldi che si vengono a creare si espandono azionando le pale della turbina 5 e ruotando così l'albero 2. Incluso nel motore con turbina a gas 100 vi è, inoltre, un regolatore di avviamento (non mostrato), che ha lo scopo di azionare il motore con turbina a gas all'avvio e durante le procedure di lavaggio off-line, come già detto.

I motori con turbina a gas attraggono grosse quantità d'aria contenente particelle che possono contaminare le pale e le palette del compressore. Prima dell'ingresso nel motore con turbina a gas, l'aria deve essere filtrata in modo da rimuovere la maggior parte delle particelle che possono contribuire allo sporcamento. Un filtro FOD viene posizionato nella camera in pressione 8 all'ingresso del motore con turbina a gas per fermare queste particelle che possono danneggiare principalmente le pale e le palette del compressore 3.

Nonostante vengano utilizzati dei filtri, è difficile evitare completamente il deposito e l'accumulo di particelle sulle pale e sulle palette del compressore ed è pertanto necessario ricorrere alle operazioni di lavaggio periodiche in modo da ripristinare gli originali livelli di efficienza.

Le operazioni di lavaggio vengono compiute mediante una serie di ugelli che vaporizzano fluido detergente atomizzato (normalmente acqua) all'interno del motore con turbina a gas.

la Fig. 2 e la Fig. 3 mostrano dei dettagli dei sistemi di lavaggio secondo l'arte nota precedente.

Nella Fig. 2, gli ugelli 7 sono installati nel raccordo di entrata 6 del motore con turbina a gas, in particolare nella regione identificata dal numero di riferimento. La Fig. 3 mostra la parte dell'ingresso di un motore con turbina a gas in cui l'aria entra radialmente (arrivando da un'apertura superiore) e gli ugelli 7 sono installati sulla voluta radiale interna (radialmente opposti al raccordo di entrata 6). Gli ugelli sono posizionati in maniera tale che il fluido detergente possa entrare e penetrare nel compressore, spostandosi attraverso di esso verso l'uscita della macchina e lavando via lo sporco grazie al fatto che durante l'operazione di lavaggio il rotore sta ruotando 1) a bassa velocità azionato daa atore in caso di lavaggio off-line oppure sta ruotando 2) a pieno carico in caso di lavaggio on-line.

Gli svantaggi di queste soluzioni basate sull'arte nota precedente risiedono nel fatto che gli ugelli installati sulle superfici laterali dell'apertura di entrata non solo possono creare una significativa distorsione del flusso d'aria in ingresso, ma potrebbero anche danneggiare gravemente le pale e le palette del compressore, nel caso in cui dovessero staccarsi dalle superfici di installazione.

Una soluzione alternativa consiste nel fissare gli ugelli alla parete del sistema di aspirazione. In questo caso, il fluido detergente viene introdotto all'interno del compressore assiale attraverso il filtro d'ingresso. Tale soluzione comporta lo svantaggio di una minore efficienza del lavaggio, poiché non vi è alcun flusso diretto di fluido detergente all'interno del compressore.

La Fig. 4 e la Fig. 5 mostrano un filtro FOD d'ingresso 30 all'entrata del motore con turbina a gas 100; il filtro 30 è situato all'interno della camera in pressione 8.

La Fig. 5 mostra il filtro 30 nonché il raccordo di entrata 6 e un cono d'entrata da posizionare davanti al compressore 3 del motore con turbina a gas.

La Fig. 6 è una vista prospettica del filtro 30 in maggiore dettaglio.

Il filtro 30 ha la forma di una coppa cilindrica, come può essere visto nella Fig. 6, ed è formato da una rete di filtraggio e della sua struttura di supporto. La struttura di supporto comprende un primo anello di sostegno 10 disposto sul perimetro della base della coppa del cilindro, vicino all'ingresso del flusso d'aria del compressore assiale 3 e un secondo anello di sostegno 11 disposto sul perimetro della base dell'altra coppa del cilindro, lontano dall'ingresso del flusso d'aria del compressore 3. La struttura di supporto è completata da una serie di nervature a L 12. Le nervature a L 12 sono costituite da una serie di segmenti di nervature parallele 14 che uniscono i due anelli 10 e 11, che sono perpendicolari ad essi, e da una serie di segmenti di nervature 15 posizionati sul piano definito dalla base della coppa del cilindro 11. Un vantaggio di questo tipo di struttura è dato dal fatto che ha un'influenza molto limitata sul flusso d'aria, che può passare attraverso di essa senza essere distorto.

Questa struttura sostiene la rete di filtraggio (19 nella Fig. 8) che è fissata a detta struttura mediante una resina. La rete di filtraggio ferma gli elementi dannosi che potrebbero entrare nel compressore con il flusso d'aria.

Secondo le realizzazioni della presente invenzione, gli ugelli e i collettori per il fluido detergente sono montati sugli anelli e sulle nervature che formano la struttura di supporto del filtro FOD d'ingresso 30.

Secondo la Fig. 6, l'anello 10 sorregge il collettore del fluido detergente 13; il collettore del fluido detergente 13 costeggia l'anello 10 incollato in una resina che serve inoltre per fissare la rete di filtraggio 19; una serie di condutture di fluido detergente 17 parte da detto collettore 13 e, seguendo la struttura delle nervature, trasporta il fluido detergente agli ugelli; i conduttori 17 raggiungono solo il punto intermedio dei segmenti di nervature convergenti 15 dove terminano con un ugello di fluido detergente 18 o una coppia di ugelli 18 (come mostrato nella Fig. 7).

La Fig. 8 mostra un dettaglio (in una visuale in sezione trasversale) di un segmento di una nervatura 14 che trasporta un conduttore del fluido detergente 17; le nervature 14 (come pure le nervature 15) hanno un profilo a forma di U e sono riempite di resina 20; la rete di filtraggio 19 è fissata alla resina 20 mediante le estensioni della maglia, come può essere notato nella figura; il conduttore del fluido detergente 17 è completamente integrato nella resina 20.

L'integrazione del sistema di lavaggio (ovvero gli ugelli e i collettori) nella struttura di supporto del filtro d'ingresso comporta il vantaggio, rispetto all'arte nota, derivante dal fatto che il sistema di lavaggio non aggiunge ulteriori impedimenti al flusso di fluido in ingresso e non distorce il flusso.

Gli ugelli possono vaporizzare il fluido detergente all'interno del compressore e, se richiesto, nella stessa direzione assiale del flusso d'aria e parallela all'asse del compressore assiale.

Il fatto che gli ugelli e i collettori siano integrati nella resina rende molto improbabile un loro distacco.

I connettori sono generalmente collegati a una rete di approvvigionamento idrico che può contenere acqua filtrata, eventualmente distillata, trattata e miscelata con detergenti chimici.

Parte dell'acqua di lavaggio che esce del motore con turbina a gas può essere raccolta e riciclata per essere utilizzata nuovamente, dopo essere stata purificata dallo sporco raccolto e trattata, insieme ad acqua corrente come acqua di lavaggio pulita.

II filtro d'ingresso e il sistema di lavaggio integrato aumentano l'efficienza del processo di lavaggio, non hanno alcun impatto sul flusso d'aria, eliminano sia il rischio d'ingresso di corpi estranei nel compressore assiale sia di un suo eventuale danneggiamento.

Tale sistema riduce il tempo d'inattività del motore con turbina a gas e aumenta la percentuale di recuperi efficienti (a seguito del lavaggio) con evidenti vantaggi economici.

Claims

Rivendicazioni 1. Un sistema di lavaggio per un motore con turbina a gas (100) dotato di un compressore assiale (3), comprendente: - un filtro d'ingresso (30) all'imbocco del flusso d'aria di un compressore assiale (3) per proteggere il compressore (3) dai danni da corpi estranei, con detto filtro (30) comprendente una struttura di supporto (10, 11, 12) e una rete di filtraggio (19) fissata alla struttura di supporto (10, 11, 12), - una disposizione di ugelli (18) e collettori (13, 17), nonché - un sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) collegato a detta disposizione (13, 17, 18), laddove detta disposizione (13, 17, 18) risulta integrata all'interno di detta struttura di supporto (10, 11, 12).
2. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 1, in cui la rete di filtraggio (19) è fissata con la resina (20) alla struttura di supporto (10, 11, 12).
3. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 2, in cui gli ugelli (18) e i collettori (13,17) sono integrati in detta resina (20).
4. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 1, in cui il filtro d'ingresso (30) ha la forma di una coppa cilindrica e in cui la struttura di supporto (10, 11, 12) comprende: un primo anello di sostegno (10) disposto sul perìmetro della base della coppa del cilindro, vicino all'ingresso del flusso d'aria del compressore assiale (3), un secondo anello di sostegno (11) disposto sul perimetro della base dell'altra coppa del cilindro, lontano dall'ingresso del flusso d'aria del compressore (3), una serie di nervature a L (12), brevi segmenti (14) di dette nervature (12) risultano paralleli e separati e uniscono detti anelli (10, 11) mentre i lunghi segmenti (15) delle quali (12) sono disposti radialmente all'interno di detto secondo anello di supporto (11) e uniti in corrispondenza del suo centro.
5. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 1, in cui gli ugelli (18) sono disposti in modo tale da introdurre il liquido detergente in una direzione sostanzialmente parallela al flusso d'aria verso l'ingresso del flusso d'aria del compressore assiale (3) e all'asse del compressore assiale (3).
6. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 1, in cui alcuni ugelli sono disposti e orientati solo per il lavaggio on-line e alcuni sono disposti e orientati sono per il lavaggio off-line.
7. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 1, in cui il sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) comprende un'unità per il filtraggio e/o il trattamento dell'acqua e/o un'unità per la miscelazione dell'acqua con una sostanza detergente.
8. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 7, in cui il sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) comprende un sistema per il riciclaggio di almeno una parte dell'acqua che esce dal motore con turbina a gas.
9. Il sistema di lavaggio della rivendicazione 8, in cui la rete di approvvigionamento idrico (16) comprende un'unità per la purificazione dell'acqua riciclata.
10. Un motore con turbina a gas comprendente: - un compressore assiale (3), - una camera in pressione (8) situata all'imbocco del flusso d'aria del compressore assiale (3), - un filtro d'ingresso (30) situato nella camera in pressione (8) per proteggere il compressore (3) dai danni da corpi estranei, con detto filtro (30) comprendente una struttura di supporto (10, 11, 12) e una rete di filtraggio (19) fissata alla struttura di supporto (10, 11, 12), - una disposizione di ugelli (18) e collettori (13, 17), nonché - un sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) collegato a detta disposizione (13, 17, 18) e integrato all'interno di detta struttura di supporto (10, 11, 12).
11. Il motore con turbina a gas della rivendicazione 10, comprendente un sistema di lavaggio basato su una qualsiasi delle rivendicazioni comprese tra la 2 e la 9.
12. Un metodo di lavaggio di un compressore assiale (3) di un motore con turbina a gas (100), in cui un filtro d'ingresso (30) viene posizionato all'imbocco del flusso d'aria del compressore assiale (3) e in cui un sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) risulta integrato all'interno di detto filtro d'ingresso (30).
13. Il metodo di lavaggio della rivendicazione 12, in cui il sistema di approvvigionamento del liquido detergente (16) viene utilizzato per il lavaggio online e/o per il lavaggio off-line.