ITFI20130204A1

ITFI20130204A1 - "fan-cooled electrical machine with axial thrust compensation"

Info

Publication number: ITFI20130204A1
Application number: IT000204A
Authority: IT
Inventors: Vittorio Michelassi; Ilia Oxman
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-03-04
Also published as: DK3042440T3; EP3042440B1; CN105684274B; AU2014317455B2; RU2016105709A; EP3042440A1; US20160218590A1; US10218245B2; WO2015032510A1; CN105684274A; BR112016003063A2; CA2921769A1; AU2014317455A1; BR112016003063B1; RU2653862C2

Description

“MACCHINA ELETTRICA RAFFREDDATA CON VENTILATORE AVENTE UNA COMPENSAZIONE DELLA SPINTA ASSIALE”

Descrizione

CAMPO TECNICO

La presente descrizione riguarda macchine rotanti ed in particolare macchine elettriche rotanti. Alcune forme di realizzazione della presente descrizione riguardano macchinari rotanti comprendenti una macchina elettrica rotante e una turbomacchina collegata ad essa.

ARTE ANTERIORE

Macchine elettriche sono spesso usate come motori primi collegati ad un equipaggio comandato, quale un compressore o una pompa. Macchine elettriche vengono anche usate come generatori, collegate meccanicamente ad un motore primo, quale un motore a combustione interna ad esempio una turbina a gas o un motore alternativo a combustione interna.

Macchine elettriche vengono a volte provviste di un ventilatore di raffreddamento montato sul loro albero, per la generazione di un flusso di fluido di raffreddamento, quale tipicamente un flusso di gas di raffreddamento. In alcune disposizioni note, motori elettrici usati come motori primi per turbocompressori utilizzano lo stesso gas elaborato dal turbocompressore come mezzo di raffreddamento.

In una macchina elettrica ad alta velocità, vi è tipicamente la necessità di fornire un flusso significativo di gas di raffreddamento per mantenere il desiderato livello di bassa temperatura nel rotore e nello statore della macchina elettrica. Allo scopo di superare la resistenza al flusso di gas di raffreddamento, il ventilatore di raffreddamento supportato sull’albero di una macchina elettrica deve fornire una pressione significativa ad una estremità della macchina elettrica. La differenza di pressione così creata lungo il rotore della macchina elettrica dà luogo ad una forza assiale che agisce sul rotore della macchina elettrica nella direzione del flusso di raffreddamento, verso l’estremità della macchina elettrica opposta al ventilatore di raffreddamento, cioè verso la macchina condotta/motrice collegata alla macchina elettrica. La forza assiale generata dalla pressione del flusso di raffreddamento può divenire estremamente importante e richiede l’utilizzo di uno speciale dispositivo di compensazione della spinta.

Anche se un dispositivo di compensazione della spinta assiale potente, quale un cuscinetto assiale, viene disposto nel macchinario collegato alla macchina elettrica rotante per compensare la propria forza assiale ed è capace di compensare la forza addizionale generata nella collegata macchina elettrica dal flusso di gas di raffreddamento, la forza assiale del flusso di raffreddamento sul rotore e sull’albero della macchina elettrica renderebbe ancora difficoltosa la selezione di un accoppiamento flessibile per collegare l’albero della macchina elettrica all’albero del macchinario condotto o motore, e che è spesso critico nelle applicazioni ad alta velocità.

Pertanto vi è la necessità per un differente approccio al problema della compensazione della spinta assiale generata sull’albero di una macchina elettrica rotante dal flusso di gas di raffreddamento fornito da un ventilatore di raffreddamento previsto sulla macchina elettrica.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

Per ridurre la spinta assiale generata dalla pressione del gas di raffreddamento, una camera di distribuzione del gas di raffreddamento può essere combinata con il ventilatore di raffreddamento. Gas di raffreddamento viene alimentato da un ventilatore di raffreddamento nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento ad elevata pressione e da qui distribuito verso la macchina elettrica, ad esempio attraverso il traferro tra il rotore e lo statore. L’elevata pressione del gas nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento genera una forza assiale sull’albero della macchina elettrica, che agisce in verso opposto alla spinta assiale generata dalla pressione del gas di raffreddamento sul rotore della macchina elettrica. La forza assiale è orientata generalmente in verso opposto al flusso di gas di raffreddamento attraverso la macchina elettrica.

Secondo alcune forme di realizzazione, viene previsto un macchinario rotante, comprendente una macchina elettrica rotante avente uno statore, un albero rotante e un rotore montato sull’albero rotante e ruotante con esso. Il macchinario rotante comprende inoltre un ventilatore di raffreddamento comprensivo di una girante ruotante montata ad una prima estremità dell’albero ruotante e ruotante con esso.

Una camera di distribuzione di gas di raffreddamento è disposta fra il ventilatore di raffreddamento e la disposizione statore-rotore. La camera di distribuzione del gas di raffreddamento è in comunicazione di fluido con il ventilatore di raffreddamento e con passaggi di gas di raffreddamento disposti per alimentare gas di raffreddamento nella macchina elettrica. Gas di raffreddamento compresso alimentato dal ventilatore di raffreddamento viene ricevuto nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento e distribuito da qui a detti passaggi di gas di raffreddamento. Il ventilatore di raffreddamento è provvisto di una superficie di spinta rivolta verso la disposizione statore-rotore, cosicché la pressione del gas nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento agente sulla superficie di spinta genera una forza assiale di bilanciamento sull’albero. La superficie di spinta può essere formata dalla girante del ventilatore stesso, oppure da un disco di spinta aggiunto ad esso. Poiché la pressione nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento è superiore alla pressione all’ingresso del ventilatore di raffreddamento, una spinta assiale viene applicata sull’albero su cui sono montati il rotore e il ventilatore di raffreddamento. La spinta assiale generata dal gas di raffreddamento pressurizzato nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento è orientata in un verso generalmente opposto al verso di flusso del gas di raffreddamento attraverso la disposizione rotore-statore della macchina elettrica, cosicché la detta forza assiale si oppone alla spinta generata dal flusso di gas di raffreddamento pressurizzato che fluisce attraverso la disposizione rotore-statore.

Il gas di raffreddamento compresso ricevuto nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento può fluire interamente o parzialmente attraverso il traferro tra il rotore e lo statore. In alcune forme di realizzazione il gas di raffreddamento può essere usato per rimuovere calore da componenti, elementi o parti ulteriori dell’equipaggio rotante. Un flusso di gas di raffreddamento può essere usato ad esempio per la ventilazione dei cuscinetti. Questo è particolarmente utile nel caso di cuscinetti elettromagnetici. Il flusso di gas di raffreddamento può essere usato anche per raffreddare componenti di un macchinario addizionale collegato meccanicamente alla macchina elettrica, ad esempio un compressore, quando la macchina elettrica opera come motore elettrico, o un motore primo se la macchina elettrica funziona da generatore.

Secondo un ulteriore aspetto, la presente descrizione riguarda un metodo per bilanciare una spinta assiale generata su un macchinario rotante comprendente una macchina elettrica rotante avente uno statore, un albero rotante e un rotore montato sull’albero rotante e ruotante con esso. Il metodo comprende la generazione di una pressione di gas ricevendo gas di raffreddamento in una camera di distribuzione del gas di raffreddamento e generare una spinta assiale o forza assiale agente sull’albero tramite la pressione del gas di raffreddamento, la spinta assiale o forza assiale essendo diretta in un verso opposto al verso di flusso del gas di raffreddamento attraverso la disposizione rotore-statore della macchina elettrica.

Secondo alcune forme di realizzazione, il metodo comprende le seguenti fasi: prevedere un ventilatore di raffreddamento comprensivo di una girante ruotante avente un ingresso di girante e un’uscita di girante e disposta sull’albero rotante; ruotare la girante e alimentare gas di raffreddamento compresso in una camera di distribuzione del gas di raffreddamento;

alimentare gas di raffreddamento in un verso di flusso del gas di raffreddamento dalla camera di distribuzione del gas di raffreddamento verso il rotore e lo statore;

generare una forza assiale di bilanciamento per mezzo del gas di raffreddamento compresso nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento, detta forza assiale di bilanciamento agendo sull’albero in un verso opposto al verso del flusso del gas di raffreddamento.

Caratteristiche forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

La fig. 1 illustra una rappresentazione schematica di una disposizione integrata di un motore elettrico e compressore;

le figg. 2 a 5 illustrano viste schematiche in sezione di una camera di distribuzione del gas di raffreddamento disposta dietro il ventilatore di raffreddamento della macchina elettrica secondo diverse forme di realizzazione. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Secondo alcune forme di realizzazione, come verrà descritto in maggiore dettaglio con riferimento alle figure 1 a 5, la disposizione di compensazione della spinta qui descritta può essere incorporata in un sistema motore-compressore, comprensivo di un motore elettrico meccanicamente collegato ad un compressore, ad esempio un turbo compressore, quale un turbo compressore centrifugo. Si deve tuttavia comprendere che l’insegnamento della presente descrizione può essere applicato anche ad altri tipi di impianti, ad esempio dove la macchina elettrica rotante funziona da generatore, piuttosto che da motore, ed è portata in rotazione da un motore primo, quale un motore a combustione interna, ad esempio una turbina a gas.

Tornando ora alle forme di realizzazione illustrate nei disegni, in alcune forme di realizzazione, come schematicamente mostrato nella sezione della fig. 1, viene previsto un equipaggio 1 comprensivo di una cassa esterna 2 che alloggia un motore elettrico 3 e un carico condotto, quale un turbo compressore 5.

Il motore elettrico 3 comprende un albero assiale 7. L’albero 7 può essere supportato da cuscinetti, quali cuscinetti di estremità 9A e 9B. In alcune forme di realizzazione i cuscinetti 9A e 9B possono comprendere cuscinetti volventi. In altre forme di realizzazione, possono essere usati cuscinetti magnetici. In alcune ulteriori forme di realizzazione possono essere previsti cuscinetti fluido-dinamici, fluidostatici a gas o ad aria. Possono anche essere previste combinazioni di cuscinetti diversi. Possono essere usati anche cuscinetti aventi capacità di supporto assiale, ad esempio in combinazione con cuscinetti radiali.

Fra i cuscinetti 9A, 9B, sull’albero 7 può essere montato un rotore 11 per ruotare con esso. Uno statore 13 è disposto coassialmente attorno al rotore 11 ed è supportato in modo stazionario nella cassa 2. Uno spazio 15, qui avanti denominato “traferro” è formato fra il rotore 11 e lo statore 13.

L’albero 7 del motore elettrico 3 può essere meccanicamente collegato ad un albero assiale 17 per il turbocompressore 5 attraverso un idoneo accoppiamento 19 disposto fra il motore elettrico 3 e il turbocompressore 5. In alcune forme di realizzazione l’accoppiamento 19 può essere un accoppiamento di albero flessibile con una bassa capacità di carico assiale. Gli alberi 7 e 17 formano, insieme all’accoppiamento ad albero, la linea d’asse del macchinario rotante. In alcune forme di realizzazione, non mostrate, può essere previsto un singolo albero privo di accoppiamenti ad albero lungo di esso.

Il turbo-compressore 5 può essere un turbo-compressore multistadio comprendente due o più giranti 5C montate sull’albero 17 e azionate in rotazione dal motore elettrico 3 attraverso l’accoppiamento ad albero flessibile 19.

Secondo alcune forme di realizzazione, il turbo-compressore 5 e il motore elettrico 3 possono essere alloggiati in un alloggiamento comune, come mostrato schematicamente in Fig.1, in cui l’alloggiamento è rappresentato schematicamente dalla cassa 2. In altre forme di realizzazione, la macchina elettrica e la turbomacchina possono essere alloggiate in alloggiamenti diversi, una linea di albero estendendosi tra un alloggiamento all’altro per la trasmissione della potenza meccanica.

L’albero 17 del turbo-compressore 5 può essere supportato da rispettivi cuscinetti. In alcune forme di realizzazione sono previsti cuscinetti di spinta e cuscinetti radiali. Ad esempio, cuscinetti di estremità 19A e 19B possono essere disposti ad estremità opposte dell’albero 17. In alcune forme di realizzazione un cuscinetto assiale o cuscinetto di spinta 21 è disposto in una opportuna posizione lungo l’albero 17, ad esempio fra il turbocompressore 5 e il supporto radiale 19B opposto all’accoppiamento 19, cioè opposto all’estremità condotta del turbocompressore 5.

Il cuscinetto di spinta assiale 21 può essere un cuscinetto volvente, un cuscinetto fluido-dinamico, fluido-statico, a gas o ad aria. In altre forme di realizzazione il cuscinetto di spinta assiale 21 può essere un cuscinetto magnetico o elettro-magnetico. I cuscinetti radiali 19A e 19B possono anche essi essere cuscinetti magnetici o elettro-magnetici, cuscinetti volventi, cuscinetti fluidodinamici o fluidostatici a gas o ad aria, o loro combinazioni.

Il motore elettrico 3 può essere provvisto di un ventilatore di raffreddamento 23. Il ventilatore di raffreddamento 23 può essere montato sull’albero 7 del motore elettrico 3 per ruotare con esso. Se è previsto un singolo albero o linea ad albero per entrambi il motore elettrico 3 e il turbocompressore 5, il ventilatore di raffreddamento 23 può essere montato su tale singolo albero.

Il ventilatore di raffreddamento 23 può essere posto all’estremità dell’albero 7 opposta rispetto alla turbomacchina, cioè il turbocompressore 5 in questa forma di realizzazione. Se è previsto un accoppiamento 19, il ventilatore di raffreddamento 23 può essere disposto opposto all’accoppiamento 19 rispetto alla macchina elettrica, cioè il ventilatore di raffreddamento 23 e l’accoppiamento 19 sono disposti su lati opposti della disposizione statore-rotore 13, 11.

In alcune forme di realizzazione, il ventilatore di raffreddamento 23 può essere comprensivo di una girante assiale-radiale come mostrato nelle figure 2 a 5. Alternativamente, il ventilatore di raffreddamento 23 potrebbe comprendere più di due giranti assiali-radiali (non mostrate).

Il ventilatore di raffreddamento genera un flusso F di un mezzo di raffreddamento, quale un gas di raffreddamento che è alimentato attraverso il motore elettrico 3 e specificamente attraverso il traferro 15 tra lo statore 13 e il rotore 11. Il flusso F del mezzo di raffreddamento può anche essere usato per raffreddare i cuscinetti 9A, 9B che sopportano l’albero 7 del rotore 11.

Il ventilatore di raffreddamento 23 aumenta la pressione del gas di raffreddamento a valori sufficienti per superare la resistenza idraulica al flusso di gas di raffreddamento generato attraverso i passaggi del flusso di gas di raffreddamento, in particolare attraverso il traferro 15.

In alcune forme di realizzazione, il gas elaborato dal compressore 5 può essere usato come gas di raffreddamento. In tale caso, il gas di raffreddamento è deviato dall’alimentazione di gas principale del turbo-compressore al ventilatore di raffreddamento 23. In alcune forme di realizzazione il gas di processo è alimentato ad un lato di aspirazione o di ingresso 5A del compressore attraverso una linea di aspirazione 25 del compressore. Il gas elaborato dal compressore 5 viene poi alimentato alla pressione finale attraverso un’uscita 5B di mandata del gas del compressore 5. Può essere previsto un condotto laterale 27 per deviare una frazione del flusso di gas principale verso un ingresso 23 A del ventilatore di raffreddamento 23 cosicché il gas di processo può essere usato per raffreddare il motore elettrico 3.

Il flusso F di gas di raffreddamento fluisce attraverso il motore elettrico 3 e raffredda la disposizione statore-rotore fluendo attraverso il traferro 15. Come sopra menzionato, in alcune forme di realizzazione il flusso di gas di raffreddamento F può anche essere usato per raffreddare i cuscinetti 9A, 9B del motore elettrico 3. Questo è particolarmente utile quando sono utilizzati cuscinetti elettro-magnetici. Il flusso di gas di raffreddamento preriscaldato viene ulteriormente diretto ad un condotto di ritorno 29 verso la linea di aspirazione 25. In altre forme di realizzazione, non mostrate, può essere usato un mezzo di raffreddamento differente dal gas di processo. Ad esempio, può essere usata aria ambiente per raffreddare il motore elettrico 3. In alcune forme di realizzazione, il mezzo di raffreddamento esausto può essere scaricato in atmosfera, ad esempio quando come gas di raffreddamento viene usata aria.

Allo scopo di superare la resistenza idraulica al flusso di gas di raffreddamento lungo il percorso del gas di raffreddamento attraverso il motore elettrico 3, in particolare attraverso il traferro 15, il ventilatore di raffreddamento 23 aumenta la pressione del gas di raffreddamento ad un valore sostanzialmente elevato cosicché ad una estremità del motore elettrico 3 viene applicata una pressione importante. La differenza di pressione così creata lungo il rotore del motore elettrico 3 dà luogo ad una forza assiale che agisce sul rotore nel verso del flusso di raffreddamento verso l’accoppiamento 19, cioè secondo la freccia fFin fig. 1. In alcune forme di realizzazione esemplificative, vengono previste disposizioni per compensare o ridurre la spinta assiale generata dal flusso di gas di raffreddamento sul rotore 11 e sull’albero 7 del motore elettrico 3.

La fig. 2 illustra una sezione schematica lungo un piano contenente l’asse di rotazione A-A del ventilatore di raffreddamento 23 e di una camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento, combinata ad esso.

Come mostrato in fig. 2, una girante 33 del ventilatore di raffreddamento 23 può essere montata a sbalzo ad una estremità 7A dell’albero 7 del motore elettrico 3. La girante 33 può avere un ingresso 33A sostanzialmente assiale e un’ uscita 33B sostanzialmente radiale. Il flusso di gas di raffreddamento F è alimentato all’ingresso 33 A della girante 33 attraverso un raccordo di ingresso 34. In alcune forme di realizzazione, il manicotto di ingresso 34 può avere una sezione trasversale gradualmente decrescente cosicché il flusso di gas di raffreddamento viene gradualmente accelerato lungo il raccordo di ingresso 34 con un decremento della sua pressione statica dall’ingresso del raccordo verso l’ingresso della girante, quale risultato dell’accelerazione del flusso.

Il flusso di gas di raffreddamento viene poi elaborato attraverso la girante 33 che accelera il flusso di gas di raffreddamento ad una velocità elevata aumentando la sua pressione statica fino all’uscita 33B della girante. Un diffusore stazionario 35 è disposto attorno alla girante 33 per guidare il gas di raffreddamento compresso dalla girante 33 alla camera di distribuzione del gas di raffreddamento. In alcune forme di realizzazione, pale di diffusore stazionarie 37 possono essere disposte nel diffusore stazionario 35.

Il flusso di gas di raffreddamento che esce dalla girante 33 viene rallentato lungo il diffusore stazionario 35 e durante il suo flusso attraverso le pale 37 del diffusore, a causa dell’aumento dell’area della sezione trasversale. La pressione statica del flusso di gas aumenta in modo corrispondente. Il flusso di gas di raffreddamento viene poi ricevuto nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento.

La camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento può svilupparsi anularmente attorno all’albero 7 e può essere chiusa a tenuta verso detto albero tramite un’idonea disposizione di tenuta 39. In alcune forme di realizzazione la disposizione di tenuta 39 può comprendere una disposizione di tenuta senza contatto, quale una tenuta a labirinto. La camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento è chiusa a tenuta anche verso la girante 33. Un’ulteriore disposizione di tenuta 41 può essere prevista a tale scopo per cooperare con un componente stazionario della camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento. Possono essere usati organi di tenuta senza contatto quali una tenuta a labirinto, come disposizione di tenuta 41.

Un’ulteriore disposizione di tenuta 43 senza contatto, quale una tenuta a labirinto, può essere prevista fra un controdisco 33C della girante 33 e il raccordo di ingresso 34.

Il gas di raffreddamento ricevuto nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento viene poi alimentato attraverso luci schematicamente mostrate in 45, 47 al motore elettrico 3, ad esempio verso il traferro 15 tra il rotore 11 e lo statore 13 e/o attraverso i cuscinetti 9A, 9B.

Quando il raccordo di ingresso 34 ha una sezione trasversale che decresce nel verso del flusso di gas di raffreddamento, il flusso di gas di raffreddamento che entra nel raccordo di ingresso 34 viene accelerato cosicché la pressione statica del gas di raffreddamento decresce da un valore di ingresso P1 ad un valore inferiore P2 all’ingresso 33A della girante 33. La pressione statica all’uscita della girante 33 viene aumentata ad un valore di pressione statica P3 a causa dell’effetto della palettatura della girante 33 sul flusso di gas. La pressione statica del gas di raffreddamento viene poi ulteriormente aumentata mentre il gas fluisce attraverso il diffusore stazionario 35 e le pale 37 del diffusore fino a una pressione statica P4. Il flusso di gas esce dalle pale 37 del diffusore a bassa velocità ed entra nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento a tenuta, dove la sua pressione statica aumenta ulteriormente fino a P5 a causa del parziale recupero di pressione a valle del diffusore, cosicché la pressione P5 nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento è leggermente superiore alla pressione di uscita P4 all’uscita del diffusore 35. La pressione P5 nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento è pertanto sostanzialmente superiore alla pressione P2 che agisce sul lato opposto della girante 33. La differenza tra i due valori di pressione genera una forza assiale schematicamente rappresentata dalla freccia AT che agisce sulla girante 33 e quindi sull’albero 7 sulla quale la girante 33 è montata. La forza assiale AT è orientata in una direzione opposta rispetto alla spinta fFgenerata dal flusso di gas di raffreddamento quando questo fluisce attraverso la disposizione statore-rotore della macchina elettrica 3. Pertanto, le due spinte assiali vengono almeno parzialmente compensate tra loro.

La girante 33 serve quale disco di spinta del rotore 11 della macchina elettrica 3 e genera una forza assiale in un verso opposto al verso del gas di raffreddamento. La velocità di ingresso che aumenta lungo il raccordo di ingresso 34 serve a ridurre la forza assiale o spinta assiale AT per la stessa pressione di uscita P4 all’uscita del diffusore 37 e per la stessa pressione statica P5 nella camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento a causa dell’aumentata pressione differenziale attraverso la girante 33. L’aumento del diametro D33 del lato tergale della girante 33 porterebbe anche questo ad un aumento della forza assiale AT a causa dell’aumento dell’area del disco 33 della girante su cui è applicata la pressione differenziale.

La fig. 3 illustra una ulteriore forma di realizzazione della girante e relativa camera di distribuzione del gas di raffreddamento. Gli stessi numeri di riferimento indicano componenti, parti o elementi uguali o corrispondenti a quelli della fig. 2. Questi elementi non verranno nuovamente descritti.

Nella forma di realizzazione della fig. 3, un disco di spinta 51 è aggiunto alla girante 33 e disposto tergalmente ad essa, cioè contro la superficie della girante 33 rivolta verso la disposizione rotore-statore 11-13 del motore elettrico 3. Il disco di spinta 51 può essere montato per ruotare insieme con la girante 33 sull’albero 7. Il disco di spinta 51 può essere provvisto di una disposizione di tenuta senza contatto 41, ad esempio cooperante con un componente stazionario della camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento, per chiudere a tenuta la camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento verso la disposizione rotante formata dal disco di spinta 51 e dalla girante 33. Il disco di spinta 51 è provvisto di una superficie di spinta 51S rivolta verso l’interno della camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento, su cui è applicata la pressione statica P5. Il diametro D51 del disco di spinta 51 può essere sostanzialmente maggiore del diametro D33 della girante 33 cosicché una forza assiale AT maggiore viene applicata sull’albero 7.

La fig. 4 illustra schematicamente una ulteriore forma di realizzazione dell’oggetto qui descritto. Gli stessi numeri di riferimento designano componenti o elementi uguali o simili come già descritti in relazione alle figure 2 e 3. Nella forma di realizzazione della fig.4 il diametro dell’albero 7 all’interno della disposizione di tenuta 39 senza contatto è stato ridotto cosicché viene formata una addizionale superficie di spinta 7S da uno spallamento dell’albero 7. L’estremità 7 A dell’albero 7 può avere un diametro D7A che è maggiore del diametro D7 della porzione di albero che si estende attraverso la disposizione di tenuta 39.

L’azione di spinta totale generata dal differenziale di pressione fra la camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento e l’ingresso 33 A della girante 33 viene così aumentato.

La fig.5 illustra una ulteriore forma di realizzazione dell’oggetto qui descritto. Gli stessi numeri di riferimento indicano componenti o elementi uguali o simili a quelli già descritti nelle precedenti forme di realizzazione. Tali componenti non saranno descritti nuovamente.

Nella forma di realizzazione della fig.5 l’albero 7 è cavo come mostrato in 7H. Una portata di flusso di gas di raffreddamento può essere scaricata dalla camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento e scaricata attraverso il foro 7 A dell’albero fornendo un raffreddamento dell’albero. Il flusso di gas di raffreddamento che entra nel foro 7H dell’albero può essere distribuito verso i magneti del rotore o gli avvolgimenti del rotore e alimentato alla estremità di azionamento, cioè verso l’estremità rivolta verso il compressore 5, per raffreddare altri componenti montati in quell’area del motore elettrico. Una o più luci 61 possono essere previste tra la superficie esterna del foro 7H interno dell’albero 7 per porre in collegamento di fluido la camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento con il foro assiale 7H dell’albero 7.

Nelle varie forme di realizzazione sin qui descritte le disposizioni di tenuta 41 e 43 sono rappresentate come organi di tenuta rotanti che agiscono su una superficie stazionaria. Può essere chiaramente prevista viceversa una disposizione inversa, con organi di tenuta sul lato stazionario e superfici corrispondenti lisce o dentate sui componenti rotanti. Varie configurazioni della tenuta a labirinto possono essere usate comprese tenute a labirinto rettilinee, labirinti a gradini ed altre configurazioni applicabili.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

“MACCHINA ELETTRICA RAFFREDDATA CON VENTILATORE AVENTE UNA COMPENSAZIONE DELLA SPINTA ASSIALE” Rivendicazioni 1. Un macchinario rotante (1) comprendente una macchina elettrica rotante (3) comprendente: uno statore (13); un albero rotante (7); un rotore (11) montato su detto albero rotante (7) e rotante con esso; un ventilatore di raffreddamento (23) comprensivo di una girante rotante (33) avente un ingresso di gas (33 A) ed un’uscita di gas (33 B) e montata ad una prima estremità di detto albero rotante (7) e ruotante con esso; passaggi di gas di raffreddamento (45, 47) per alimentare gas di raffreddamento compresso attraverso lo statore (13) e il rotore (11); in cui fra il ventilatore di raffreddamento (23) e lo statore (13) ed il rotore (11) è disposta una camera di distribuzione di gas di raffreddamento (31), in comunicazione di fluido con detto ventilatore di raffreddamento (23) e detti passaggi di gas di raffreddamento (45, 47), gas di raffreddamento compresso alimentato da detto ventilatore di raffreddamento (23) venendo ricevuto nella camera di distribuzione di gas di raffreddamento (31) e distribuito da essa a detti passaggi di gas di raffreddamento (45, 47); e in cui il ventilatore di raffreddamento (23) è provvisto di una superficie di spinta (33D; 51S) rivolta verso lo statore (13) ed il rotore (11), pressione di gas nella camera di distribuzione del gas di raffreddamento (31) agendo su detta superficie di spinta (33D; 51S), generando una forza assiale (AT) su detto albero rotante (7), detta forza assiale essendo orientata in un verso opposto rispetto al flusso di gas di raffreddamento attraverso lo statore (13) ed il rotore (11).
2. Il macchinario della rivendicazione 1, comprendente inoltre una turbomacchina (5) collegata meccanicamente ad una seconda estremità di detto albero rotante (7).
3. Il macchinario della rivendicazione 2, in cui un accoppiamento del carico (19) è disposto tra la macchina elettrica (3) e la turbomacchina (5).
4. Il macchinario della rivendicazione 3, in cui l’accoppiamento del carico (19) comprende un accoppiamento flessibile di albero.
5. Il macchinario secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 6, in cui detta macchina elettrica (3) e detta turbomacchina (5) sono alloggiate in un alloggiamento comune (2).
6. Il macchinario secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 4, in cui detta macchina elettrica (3) e detta turbomacchina (5) sono disposte in alloggiamenti separati.
7. Il macchinario secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il ventilatore di raffreddamento (23) comprende un diffusore stazionario all’uscita del gas (33B) di detta girante (33).
8. Il macchinario di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un raccordo di ingresso (34) attraverso cui gas di raffreddamento entra in detto ingresso (33 A) del gas della girante (33), ed in cui il raccordo di ingresso (34) ha una sezione trasversale che decresce nel verso del flusso.
9. Il macchinario secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un disco di spinta (51) ruotante integralmente con la girante (33), detta superficie di spinta (51S) essendo disposta sul disco di spinta (51).
10. Il macchinario della rivendicazione 9, in cui il disco di spinta (51) ha un diametro esterno (D51) maggiore del diametro esterno (D33) della girante (33).
11. Il macchinario della rivendicazione 9 o 10, comprendente inoltre una tenuta (41), preferibilmente una tenuta senza contatto, più preferibilmente una tenuta a labirinto, fra un bordo perimetrale esterno del disco di spinta (51) e un componente stazionario della camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento.
12. Il macchinario di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una tenuta (41), preferibilmente una tenuta senza contatto, più preferibilmente una tenuta a labirinto, fra un bordo perimetrale esterno di detta girante (33) e un componente stazionario della camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento.
13. Il macchinario di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto albero rotante (7) ha una porzione terminale di diametro maggiore, su cui è calettata la girante (33), e una porzione a diametro minore cooperante con una disposizione di tenuta (39), che chiude a tenuta la camera 31 di distribuzione del gas di raffreddamento rispetto all’albero rotante (7), ed in cui uno spallamento anulare fra la porzione a diametro minore e la porzione a diametro maggiore forma una superficie di spinta ausiliaria (7S) su cui agisce la pressione del gas nella camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento.
14. Un metodo per ridurre una spinta assiale su un macchinario rotante comprendente una macchina elettrica rotante (3) avente uno statore (13), un albero rotante (7), un rotore (11) montato sull’albero rotante (7) e ruotante con esso, e un ventilatore (23) di raffreddamento disposto per generare un flusso di gas di raffreddamento pressurizzato attraverso un traferro (15) tra il rotore (11) e lo statore (13); detto metodo comprendendo le fasi di: generare una pressione di gas ricevendo gas di raffreddamento in una camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento; e generare una forza assiale a (T) agente sull’albero (7) per mezzo della pressione del gas di raffreddamento, la forza assiale essendo orientata in un verso opposto rispetto al verso di flusso del gas di raffreddamento attraverso il traferro (15) tra il rotore (11) e lo statore (13).
15. Un metodo per ridurre una spinta assiale su un macchinario rotante comprendente una macchina elettrica rotante (3) avente uno statore (13), un albero rotante (7), e un rotore (11) montato su detto albero rotante (7) e ruotante con esso; detto metodo comprendendo le fasi di: prevedere un ventilatore di raffreddamento (23) comprensivo di una girante (33) ruotante avente un ingresso di girante (33 A) e una uscita di girante (33B) e disposta sull’albero rotante (7); ruotare detta girante (33) e alimentare gas di raffreddamento compresso in una camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento; alimentare gas di raffreddamento in un verso del flusso del gas di raffreddamento da detta camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento verso detto rotore (11) e detto statore (13); generare una forza assiale di bilanciamento (AT) per mezzo di detto gas di raffreddamento compresso in detta camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento, detta forza assiale di bilanciamento agendo su detto albero (7) in un verso opposto ad un verso di flusso del gas di raffreddamento.
16. Il metodo della rivendicazione 14 o 15, in cui il macchinario rotante comprende inoltre una turbomacchina (5), collegata preferibilmente attraverso un accoppiamento di carico (19) a detta macchina elettrica (3), ed in cui il ventilatore (23) è montato sull’albero rotante (7) in posizione opposta rispetto a detta turbomacchina (5).
17. Il metodo della rivendicazione 15, 16 o 17, comprendente inoltre le seguenti fasi: accelerare un flusso di gas di raffreddamento in detta girante (33) ed aumentare una pressione statica del gas di raffreddamento dall’ingresso (33A) all’uscita (33B) della girante (33); rallentare il flusso di gas di raffreddamento ed aumentare la pressione statica di esso attraverso un diffusore (35) disposto fra l’uscita (33B) della girante e la camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento.
18. Il metodo della rivendicazione 17, comprendente inoltre la fase di recuperare pressioni di gas a valle di detto diffusore (35) per aumentare la pressione statica in detta camera (31) di distribuzione del gas di raffreddamento al di sopra della pressione statica del gas di raffreddamento all’uscita di detto diffusore (35).