ITMI20091345A1

ITMI20091345A1 - Valvola a farfalla, preferibilmente per un circuito di sfiato di un impianto a turbina a gas

Info

Publication number: ITMI20091345A1
Application number: IT001345A
Authority: IT
Inventors: Claudio Dotta; Fabrizio Ferrari; Luciano Massalin
Original assignee: Ansaldo Energia Spa
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-01-30
Also published as: US20110024661A1; EP2295836A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“VALVOLA A FARFALLA, PREFERIBILMENTE PER UN CIRCUITO DI SFIATO DI UN IMPIANTO A TURBINA A GAS”

La presente invenzione è relativa ad una valvola a farfalla, preferibilmente per un circuito di sfiato di un impianto a turbina a gas.

Gli impianti a turbina a gas comprendono un compressore, una camera di combustione, una turbina a gas ed un circuito di sfiato che collega il compressore alla turbina a gas. In particolare, il circuito di sfiato comprende una o più linee di estrazione per estrarre aria dal compressore e scaricarla in corrispondenza dello scarico della turbina a gas in modo da evitare una condizione di stallo del compressore, comunemente detta “pompaggio”.

Il pompaggio è una condizione molto pericolosa per i compressori, in quanto determina l’insorgere di vibrazioni e di fenomeni di surriscaldamento dei componenti che possono danneggiare sensibilmente l’impianto.

Lungo ciascuna linea di estrazione è disposta una valvola a farfalla, comunemente detta valvola di “blowoff”, atta ad intercettare il flusso d’aria tra il compressore e lo scarico della turbina.

In condizioni normali di funzionamento con turbina in marcia, le valvole a farfalla sono chiuse e devono garantire una tenuta praticamente perfetta per permettere all’aria di fluire esclusivamente nel compressore senza penalizzarne il rendimento.

In particolari condizioni operative, tuttavia, le valvole a farfalla si devono aprire molto velocemente per consentire l’estrazione dell’aria dal compressore ed evitare la condizione di pompaggio del compressore.

Le valvole a farfalla di tipo noto comprendono un anello di supporto, il quale definisce una sezione di passaggio del fluido, un anello di tenuta ed un disco mobile tra una posizione di chiusura della valvola, in cui il disco occlude la sezione di passaggio ed una posizione di apertura della valvola, in cui il disco non occlude la sezione di passaggio consentendo il passaggio del fluido.

Le valvole a farfalla di questo tipo, tuttavia, hanno evidenziato, durante l’esercizio lungo le linee di estrazione dell’impianto, dei malfunzionamenti dovuti all’insorgere di un fenomeno di incollaggio tra l’anello di tenuta ed il disco, comunemente indicato con il termine inglese “jamming”. L’incollaggio tra l’anello di tenuta ed il disco pregiudica l’apertura della valvola nei momenti critici in cui è necessario estrarre immediatamente aria dal compressore per evitarne il pompaggio.

È uno scopo della presente invenzione quello di realizzare una valvola a farfalla che sia priva degli inconvenienti qui evidenziati dell’arte nota; in particolare, è uno scopo del trovato quello di realizzare una valvola a farfalla affidabile ed efficiente e, al contempo, di facile ed economica realizzazione.

In accordo con tali scopi, la presente invenzione è relativa ad una valvola a farfalla, preferibilmente per un circuito di sfiato di un impianto a turbina a gas, comprendente:

- un anello di supporto, il quale è provvisto di un bordo perimetrale interno definente una sezione di passaggio di un fluido, e di una sede anulare disposta lungo il bordo perimetrale interno;

- un disco, il quale è imperniato all’anello di supporto ed è mobile tra una posizione di chiusura della valvola, in cui il disco occlude la sezione di passaggio, ed una posizione di apertura della valvola, in cui il disco non occlude la sezione di passaggio consentendo il passaggio del fluido;

- un anello di tenuta parzialmente alloggiato nella sede anulare ed atto a cooperare in battuta contro un bordo periferico del disco quando il disco è nella posizione di chiusura della valvola; l’anello di tenuta comprendendo una porzione anulare interna, la quale è contenuta nella sede anulare, ed una porzione anulare sporgente, la quale sporge radialmente dalla sede anulare;

la valvola essendo caratterizzata dal fatto che la porzione anulare sporgente dell’anello di tenuta è cava.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

– la figura 1 è una vista schematica di un impianto a turbina a gas comprendente almeno una valvola a farfalla secondo la presente invenzione;

– la figura 2 è una vista prospettica esplosa, con parti asportate per chiarezza, di una valvola a farfalla secondo la presente invenzione;

– la figura 3 è una vista in sezione, con parti asportate per chiarezza, della valvola a farfalla di figura 2;

– la figura 4 è una vista in sezione, con parti asportate per chiarezza, di un primo dettaglio della valvola a farfalla rappresentata in figura 3;

– la figura 5 è una vista in sezione, con parti asportate per chiarezza, di un secondo dettaglio della valvola a farfalla rappresentata in figura 3.

In figura 1 è indicato con il numero di riferimento 1 un impianto per la produzione di energia elettrica a turbina a gas comprendente un compressore 2, una camera di combustione 4, una turbina a gas 5, la quale trascina un generatore 7 montato sullo stesso albero 8 della turbina a gas 5 e atto a erogare una potenza p ed un circuito di sfiato 9, il quale è provvisto di una pluralità di linee di estrazione 11 e di una pluralità di valvole a farfalla 12, ciascuna delle quali è disposta lungo una rispettiva linea di estrazione 11.

Nella fattispecie dell’esempio non limitativo qui descritto ed illustrato, le linee di estrazione 11 e le valvole a farfalla 12 sono quattro.

Le linee di estrazione 11 mettono in comunicazione uno stadio del compressore 2, preferibilmente uno dei primi stadi, ad esempio il quinto, con una sezione di scarico 15 della turbina a gas 5.

L’apertura di una delle valvole a farfalla 12 sotto il comando di un rispettivo dispositivo idraulico di attuazione (non illustrato per semplicità nelle figure allegate) determina lo scarico di una determinata portata di aria dal compressore 2 alla sezione di scarico 15 della turbina a gas 5. L’apertura di una o più valvole a farfalla 12 è necessaria in alcune fasi operative dell’impianto 1 per evitare il pompaggio del compressore 2. In particolare, l’apertura delle valvole a farfalla 12 è di fondamentale importanza durante le fasi di accensione dell’impianto 1, in quanto in queste fasi il pompaggio del compressore 2 può provocare ingenti danni all’impianto 1.

Con riferimento alla figura 2, ciascuna valvola a farfalla 12 comprende un anello di supporto 18, definito da due elementi anulari 19 e 20 accoppiati, un anello di tenuta 22 ed un disco 23.

L’anello di supporto 18 presenta un bordo perimetrale esterno 24 ed un bordo perimetrale interno 25, il quale definisce una sezione di passaggio 27 di un fluido. Nell’esempio qui considerato il fluido è aria proveniente dal compressore 2 e fluisce lungo una direzione D (indicata nelle figure allegate con una freccia).

Con riferimento alla figura 3, gli elementi anulari 19 e 20 sono conformati ed accoppiati tra loro in modo tale da dare luogo ad una sede anulare 29 disposta lungo il bordo perimetrale interno 25 dell’anello di supporto 18 e atta ad essere impegnata dall’anello di tenuta 22.

Con riferimento alla figura 4, la sede anulare 29 è definita da una prima ed una seconda faccia laterale anulare 31a e 31b, le quali si estendono in direzione radiale e sono opposte l’una all’altra, e da una superficie di fondo anulare 32. Preferibilmente, ma non necessariamente, la prima faccia laterale 31a ha una lunghezza radiale inferiore rispetto alla seconda faccia laterale 31b.

L’anello di tenuta 22 è parzialmente alloggiato nella sede anulare 29 e comprende una porzione anulare interna 34, la quale è contenuta nella sede anulare 29, ed una porzione anulare sporgente 35, la quale sporge in senso radiale dalla sede anulare 29. In particolare, qui e nel seguito, per porzione anulare sporgente 35 si intende la porzione di anello di tenuta 22 che sporge rispetto alla prima faccia laterale 31a (come mostrato dalla linea tratteggiata nella figura 4).

Con riferimento alla figura 5, l’anello di tenuta 22 ha una sezione trasversale sostanzialmente conformata a “U” in modo da definire una cavità anulare 38 aperta, la quale si estende all’interno della porzione anulare interna 34 e della porzione anulare sporgente 35.

La sezione trasversale dell’anello di tenuta 22 comprende due bracci 36 paralleli ed una porzione curva 37.

Ciascun braccio 36 è definito da una faccia interna 39 piana, da una faccia di base 40 piana e da una faccia esterna 41 comprendente una porzione centrale 43 piana e parallela alla faccia interna 39 e due porzioni laterali 44 convesse.

Le porzioni centrali 43 piane sono disposte, in uso, a contatto con rispettive facce laterali anulari 31a e 31b della sede anulare 29. Preferibilmente, le porzioni centrali 43 piane sono parallele alle facce laterali anulari 31a e 31b della sede anulare 29 in modo tale che, in uso, ci sia un contatto sostanzialmente uniforme tra l’anello di tenuta 22 e la sede anulare 29 per garantire una tenuta ottimale evitando il passaggio del fluido.

Le porzioni laterali 44 convesse evitano la presenza di spigoli vivi e, pertanto, evitano che l’anello di tenuta 22 penetri nella sede anulare 29 nei punti di contatto in seguito alle deformazioni termiche e alle azioni di spinta che si verificano durante l’uso.

La porzione curva 37 della sezione trasversale dell’anello di tenuta 22 è compresa nella porzione anulare sporgente 35 e, in uso, coopera in battuta contro il disco 23 quando, come verrà descritto in dettaglio più avanti, il disco 23 è nella posizione di chiusura valvola.

In particolare, lo spessore della porzione curva 37 è tale da conferire una flessibilità radiale alla porzione curva 37 sufficiente a garantire un’ottima tenuta tra il disco 23 e l’anello di tenuta 22.

Preferibilmente, la porzione curva 37 ha uno spessore inferiore al massimo spessore dei bracci 36.

La cavità anulare 38 conferisce elasticità e flessibilità all’anello di tenuta 22, il quale è in grado di deformarsi radialmente per garantire la tenuta e, al contempo, per evitare il fenomeno del “jamming” tra il disco 23 e l’anello di tenuta 22.

Preferibilmente, il materiale con cui è realizzato l’anello di tenuta 22 è un materiale avente lo stesso coefficiente termico di dilatazione del materiale con cui è realizzato il disco 23. In tal modo è possibile ridurre il rischio del fenomeno del “jamming” tra il disco 23 e anello di tenuta 22 in caso di forti sollecitazioni termiche.

Con riferimento alla figura 2, il disco 23 è imperniato all’anello di supporto 18, in particolare all’elemento 20 anulare, ed ha un diametro sostanzialmente uguale al diametro del bordo perimetrale interno 25 dell’anello di supporto 18.

In particolare, il disco 23 ha un bordo periferico 45 ed è provvisto, lungo il bordo periferico 45, di due occhielli 46 disposti diametralmente opposti ed atti ad essere impegnati da un perno (non illustrato nelle figure allegate) fissato a due fori 47 (uno solo dei quali è visibile in figura 2) dell’elemento anulare 20 dell’anello di supporto 18.

Il disco 23 ruota attorno al perno tra una posizione di chiusura della valvola 12 (posizione illustrata in figura 3) in cui il disco 23 occlude la sezione di passaggio 27 e coopera con l’anello di tenuta 22 ed una posizione di apertura della valvola 12, in cui il disco 23 non occlude la sezione di passaggio 27 consentendo il passaggio del fluido. In particolare, nella posizione di chiusura della valvola 12, il bordo periferico 45 del disco 23 è disposto in battuta contro la porzione sporgente 35 dell’anello di tenuta 22.

Risulta infine evidente che alla valvola 12 a farfalla qui descritta possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Valvola (12) a farfalla, preferibilmente per un circuito di sfiato (9) di un impianto (1) a turbina a gas, comprendente: - un anello di supporto (18), il quale è provvisto di un bordo perimetrale interno (25) definente una sezione di passaggio (27) di un fluido, e di una sede anulare (29) disposta lungo il bordo perimetrale interno (25); - un disco (23), il quale è imperniato all’anello di supporto (18) ed è mobile tra una posizione di chiusura della valvola (12), in cui il disco (23) occlude la sezione di passaggio (27), ed una posizione di apertura della valvola (12), in cui il disco (23) non occlude la sezione di passaggio (27) consentendo il passaggio del fluido; - un anello di tenuta (22) parzialmente alloggiato nella sede anulare (29) ed atto a cooperare in battuta contro un bordo periferico (45) del disco (23) quando il disco (23) è nella posizione di chiusura della valvola (12); l’anello di tenuta (22) comprendendo una porzione anulare interna (34), la quale è contenuta nella sede anulare (29), ed una porzione anulare sporgente (35), la quale sporge radialmente dalla sede anulare (29); la valvola (12) essendo caratterizzata dal fatto che la porzione anulare sporgente (35) dell’anello di tenuta (22) è cava.
2. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione anulare interna (34) è cava.
3. Valvola secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’anello di tenuta (22) ha una sezione trasversale conformata sostanzialmente ad “U”.
4. Valvola secondo la rivendicazione 3, in cui la sezione trasversale dell’anello di tenuta (22) comprende due bracci (36) paralleli ed una porzione curva (37); ciascun braccio (36) comprendendo una faccia esterna (41) provvista di una porzione centrale (43) piana e due porzioni laterali (44) convesse.
5. Valvola secondo la rivendicazione4, in cui le porzioni centrali (43) piane sono disposte, in uso, a contatto con rispettive facce laterali anulari (31a, 31b) della sede anulare (29).
6. Valvola secondo la rivendicazione 5, in cui le porzioni centrali (43) piane sono parallele alle facce laterali anulari (31a, 31b) della sede anulare (29).
7. Valvola secondo una delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui la porzione curva (37) è compresa nella porzione anulare sporgente (35) e, in uso, coopera in battuta contro il bordo periferico (45) del disco (23) quando il disco (23) è nella posizione di chiusura valvola.
8. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazione da 4 a 7, in cui la porzione curva (37) ha uno spessore inferiore al massimo spessore dei bracci (36).
9. Valvola secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui l’anello di tenuta (22) e il disco (23) sono realizzati in materiali aventi lo stesso coefficiente di dilatazione termica.