ITMI20132042A1

ITMI20132042A1 - Metodi per lavare motori con turbina a gas e motori con turbina a gas

Info

Publication number: ITMI20132042A1
Application number: IT002042A
Authority: IT
Inventors: Mario Pecchioli
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-07
Also published as: BR112016012711B8; WO2015082609A1; EP3077628B1; CN106103906A; US20160356176A1; BR112016012711B1; RU2665606C1; JP2017502190A; EP3077628A1; CN106103906B; KR20160097248A; US10669885B2; BR112016012711A2

Description

TITOLO

Methods of washing gas turbine engines and gas turbine engines/ Metodi per lavare motori con turbina a gas e motori con turbina a gas

DESCRIZIONE CAMPO TECNICO

Le forme di esecuzione dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono a metodi per lavare motori con turbina a gas nonché a motori con turbina a gas.

ARTE NOTA

Com'è noto, i motori con turbina a gas, e in particolare i loro compressori, sono interessati dallo sporcamento ("fouling") e devono pertanto essere puliti ripetutamente nel corso della loro vita utile.

Un metodo comune per pulire un motore con turbina a gas consiste nell'interruzione del suo normale funzionamento e nel lavaggio del motore stesso, senza che questo venga smontato. Si tratta del cosiddetto lavaggio "off-line", che viene eseguito con un detergente liquido. A seguito del trattamento con il detergente liquido, risulta spesso necessario risciacquare. Il lavaggio off-line è molto efficace; tuttavia, questo metodo implica l'interruzione del normale funzionamento ed aumenta pertanto il tempo di inattività della macchina e dello stabilimento presso cui essa si trova.

È altrettanto noto, anche se meno comune, il metodo che prevede il lavaggio di un motore con turbina a gas durante il suo funzionamento, ovvero quando il motore genera lavoro. Si tratta del cosiddetto lavaggio "on-line", che consiste nell'aggiungere un detergente liquido al gas che fluisce nel compressore. In questo caso, la quantità di detergente liquido aggiunta al gas è ridotta (più specificamente, il rapporto tra liquido e gas viene mantenuto basso) e la pressione del detergente liquido erogato risulta bassa per evitare:

- il disturbo del funzionamento del compressore e/o della turbina e/o del combustore (la combustione potrebbe, ad esempio, venire compromessa dal detergente liquido),

- intralci al flusso di fluido all'interno del compressore,

- il danneggiamento dei componenti del compressore (le gocce di detergente liquido, se presenti, potrebbero colpire, ad esempio, le pale rotanti del compressore).

È importante notare che i detergenti liquidi utilizzati per il lavaggio "off-line" sono generalmente diversi dai detergenti liquidi utilizzati per il lavaggio "on-line".

I metodi noti di lavaggio on-line sono molto meno efficaci rispetto ai metodi noti di lavaggio off-line, anche se comportano il vantaggio di non influire sui tempi di inattività della macchina e dello stabilimento presso cui essa si trova.

RIEPILOGO

Risultano pertanto necessari un metodo migliore per il lavaggio dei motori con turbina a gas nonché dispositivi che lo consentono.

Un primo aspetto della presente invenzione si riferisce a un metodo per il lavaggio di un motore con turbina a gas.

Questo metodo viene utilizzato per lavare un motore con turbina a gas durante il funzionamento del motore stesso; il metodo comprende una fase di lavaggio che consiste nella vaporizzazione di una sostanza detergente liquida verso l'ingresso del compressore del motore; la portata massica della sostanza detergente liquida da vaporizzare viene stabilita in modo tale che il rapporto tra liquido e gas all'ingresso del compressore risulti maggiore dell'1% e inferiore del 5% in riferimento alla portata massica nominale del compressore.

Un secondo aspetto della presente invenzione è rappresentato da un motore con turbina a gas.

II motore con turbina a gas comprende un compressore, una turbina a valle del compressore e vari ugelli per la vaporizzazione di una sostanza detergente liquida verso l'ingresso del compressore; inoltre, il motore comprende preferibilmente un'unità di controllo predisposta per eseguire il metodo sopra illustrato.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

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 mostra una visuale semplificata di una forma di esecuzione di un compressore di un motore con turbina a gas,

la Fig. 2 mostra visuali semplificate di una forma di esecuzione di un ugello (la Fig. 2A corrisponde a una sezione longitudinale e la Fig. 2B corrisponde alla sezione trasversale),

la Fig. 3 mostra il diagramma temporale di una forma di esecuzione di una fase di lavaggio e

la Fig. 4 mostra il diagramma temporale di una sequenza delle fasi di lavaggio secondo la Fig. 3.

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 realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più forme d'esecuzione in qualsivoglia modalità appropriata.

La Fig. 1 rappresenta una vista parziale trasversale e mostra in maniera parziale una forma di esecuzione di un motore con turbina a gas; in particolare, illustra un telaio anteriore, che comprende un raccordo di entrata 2 e un cono d'entrata 3, un telaio centrale (opzionale), che comprende puntoni 5 e palette direttrici d'entrata 6 nonché un compressore 1 , comprendente un rotore (si vedano i riferimenti 7 e 8) e uno statore (si veda il riferimento 9). Il telaio anteriore, in particolare il raccordo di entrata 2 e il cono d'entrata 3, e il telaio centrale, in particolare la sua parete esterna 12 e la sua parete interna 13, definiscono il percorso di entrata che conduce all'ingresso del compressore 1. Subito dopo l'ingresso del compressore 1, vi è il primo stadio del rotore del compressore (è mostrata solo una pala 7). A volte, la combinazione di telaio anteriore, telaio centrale e compressore 1 è definita complessivamente "compressore".

In generale, un motore con turbina a gas comprende il collegamento in serie di un compressore (come ad esempio quello parzialmente mostrato nella Fig. 1), una camera di combustione con dispositivi per la combustione (non mostrata nella Fig. 1) e una turbina (non mostrata nella Fig. 1).

Nella Fig. 1, sono mostrati solo pochi componenti del rotore e dello statore del compressore 1 ; in particolare, l'albero 8 del rotore, una pala 7 del primo stadio del rotore, l'alloggiamento 9 dello statore; in particolare, non vengono mostrate le pale degli altri stadi del rotore e le palette delle fasi dello statore.

Nella soluzione della Fig. 1, sono presenti vari ugelli 4 (ne è illustrato solo uno) per la vaporizzazione di una sostanza detergente liquida L verso l'ingresso del compressore 1.

In questa forma di esecuzione, gli ugelli 4 sono situati presso il raccordo di entrata 2, ovvero sulla superficie convergente piana utilizzata per dirigere il gas verso il primo stadio del compressore, in particolare per dirigere il gas G nel percorso di entrata che conduce all'ingresso del compressore 1 attraverso i puntoni 5 e le palette direttrici d'entrata 6.

Gli ugelli 4 erogano la sostanza detergente liquida L e la nebulizzano; in questo modo, le gocce del liquido L possono essere trascinate dal flusso di gas G (si veda la Fig. 1).

La sostanza detergente liquida L viene vaporizzata a una certa distanza dalla parete esterna (si vedano i riferimenti 2 e 12) del percorso di entrata del compressore 1 e a una certa distanza dalla parete interna (si vedano i riferimenti 3 e 13) del percorso di entrata del compressore 1 e in una determinata direzione (si veda la Fig. 1) in modo tale da garantire una buona ed appropriata distribuzione del liquido nel flusso di gas all'interno del percorso di entrata.

Nella forma di esecuzione della Fig. 1, la direzione media della sostanza liquida L risulta inclinata rispetto alla direzione media del gas G.

Nella forma di esecuzione della Fig. 1, gli ugelli 4 sono posizionati in cerchio (centrati sull'asse 100 del motore) e alla stessa distanza l'uno dall'altro; in particolare, tutti gli ugelli 4 sono collegati fluidicamente a un singolo collettore 15 di forma vantaggiosamente circolare (centrato sull'asse 100 del motore e posizionato dietro al raccordo di entrata 2).

Vi è inoltre un'unità di controllo 19 collegata operativamente al collettore 15 in modo tale da controllare l'erogazione della sostanza detergente liquida L; in questo modo, tutti gli ugelli 4 erogano allo stesso tempo la medesima quantità di sostanza liquida.

Nella Fig. 2 viene mostrata una forma di esecuzione di un ugello 4 che può essere utilizzato per la vaporizzazione di una sostanza liquida, in particolare la sostanza detergente liquida L prevista dalla forma di esecuzione della Fig. 1.

L'ugello 4 comprende un corpo cilindrico allungato 20 che presenta una prima estremità 20-1 per la ricezione della sostanza liquida L e una seconda estremità 20-4 per l'erogazione della sostanza liquida L. Vi sono inoltre una prima parte intermedia 20-2 e una seconda parte intermedia 20-3; la parte 20-2 viene utilizzata per fissare l'ugello 4 al raccordo di entrata 2; la parte 20-3 viene usata per stabilire una distanza tra il punto di erogazione e la parete esterna (si vedano i riferimenti 2 e 12) del percorso di entrata.

All'interno del corpo cilindrico allungato 20 vi è un condotto 21 per il flusso della sostanza liquida L che si estende dalla prima estremità 20-1, attraverso le parti intermedie 20-2 e 20-3 fino alla seconda estremità 20-4.

All'estremità 20-4 è situata una rientranza 22 al cui interno termina il condotto 21 ; quando la sostanza liquida L raggiunge la rientranza 22, viene espulsa e vaporizzata; il livello di nebulizzazione dipende dalla pressione a monte della rientranza 22 e dalla sua forma. Ai fini dell'aumento della pressione, il condotto 21 presenta una certa sezione trasversale (relativamente ampia) nella sua porzione iniziale 21-1, ovvero sulla prima estremità 20-1, e una sezione trasversale più piccola nella sua porzione finale 21-2, ovvero sulla seconda estremità 20-4.

Nella forma di esecuzione della Fig. 2, la rientranza 22 è disposta come un diametro del corpo cilindrico 20 e si apre verso la superficie laterale del corpo cilindrico 20 stesso; in questo modo, il gas G fluisce attorno al corpo cilindrico 20 (si veda in particolare la Fig. 2B) e il liquido L viene protetto dal corpo cilindrico 20 (si veda in particolare la Fig. 2B); nella forma di esecuzione della Fig. 1, gli ugelli 4 sono posizionati a distanza dal punto in cui vi è un elevato flusso di gas G.

Nella forma di esecuzione della Fig. 2, una buona erogazione della sostanza liquida viene ottenuta dal condotto 21 , e nello specifico dalla sua porzione finale 21-2, tangenziale alla parte inferiore della rientranza 22 (si veda in particolare la Fig. 2A); in ogni caso, il condotto può essere collocato a una distanza assiale ridotta rispetto alla parte inferiore della rientranza 22.

La direzione e l'apertura della sostanza liquida L erogata dipendono inoltre dalla forma della sezione trasversale della rientranza 22. Nella forma di esecuzione della Fig. 2, tale forma risulta parzialmente piana (si veda la porzione vicina alla superficie del raccordo) e parzialmente curva (si veda la Fig.2A), ad esempio un arco di circonferenza o una parabola o un'iperbole; la porzione che unisce quella piana e quella curva corrisponde alla parte inferiore della rientranza 22.

Secondo le forme di esecuzione del metodo, il lavaggio di un motore con turbina a gas viene eseguito durante il funzionamento del motore con turbina a gas e comprende una fase di lavaggio che consiste nella vaporizzazione di una sostanza detergente liquida verso l'ingresso del compressore del motore; la vaporizzazione può essere eseguita come illustrato nella Fig. 1, ovvero a monte dei puntoni e delle palette direttrici d'entrata; la vaporizzazione può essere eseguita come illustrato nella Fig. 1, ovvero dal raccordo di entrata del compressore.

La portata massica della sostanza detergente liquida da vaporizzare viene preferibilmente definita in modo tale che il rapporto tra liquido e gas all'ingresso del compressore risulti maggiore deM'1 % e inferiore del 5% in riferimento alla portata massica nominale del compressore. È importante notare che, nella forma di esecuzione della Fig. 1, parte della sostanza detergente liquida si blocca contro i puntoni e/o le palette direttrici d'entrata e non raggiunge il primo stadio del compressore. Grazie all'elevata quantità di liquido, viene ottenuto un buon lavaggio.

Il rapporto tra liquido e gas dovrebbe essere maggiore dell'1% e inferiore del 3%, e attestarsi possibilmente attorno al 2%; questi rapporti rappresentano buoni compromessi tra la quantità di liquido e i disturbi al funzionamento del compressore e dell'intero motore con turbina a gas.

È importante notare che il rapporto tra liquido e gas viene comunemente indicato con l'acronimo WAR (Water-to-Air Ratio, rapporto tra acqua e aria) poiché il liquido è generalmente acqua e il gas è generalmente aria.

La pressione della sostanza detergente liquida da vaporizzare è preferibilmente superiore a 0,2 MPa e inferiore a 2,0 MPa (si tratta della pressione all'estremità del condotto interno all'ugello di vaporizzazione appena prima della vaporizzazione, ovvero in riferimento alla Fig.2 nell'area della porzione 21-2) - la pressione della sostanza detergente liquida da vaporizzare è preferibilmente superiore a 0,8 MPa e inferiore a 1 ,2 MPa. Grazie all'elevata pressione e all'alta velocità del liquido, viene conseguita un'idonea nebulizzazione e, pertanto, si ottiene una buona miscela di liquido e gas e non vengono causati disturbi al funzionamento del compressore né danni meccanici (se non molto ridotti) ai suoi componenti.

In riferimento alla forma di esecuzione esemplificativa della Fig.2, il diametro della porzione 21-2 rientra nell'intervallo compreso tra 1,0 e 2,0 mm (ad esempio 1,8 mm), il diametro dell'ugello 4 rientra nell'intervallo compreso tra 10 e 20 mm (ad esempio 18 mm), la pressione nella porzione 21-2 rientra nell'intervallo compreso tra 0,2 e 2,0 MPa (generalmente 0,8-1 ,2 MPa) e la velocità nella porzione 21-2 rientra nell'intervallo compreso tra 5 e 30 m/sec (ad esempio 22 m/sec).

La combinazione di elevato rapporto tra liquido e gas e alta pressione del liquido risulta sinergica per l'ottenimento di un buon lavaggio durante il funzionamento del motore.

Altri aspetti importanti per ottenere delle buone prestazioni sono: la distanza tra i punti di erogazione del liquido e la parete esterna (si vedano ad esempio gli elementi 2 e 12 nella forma di esecuzione della Fig. 1) del percorso di entrata del compressore, la distanza tra i punti di erogazione del liquido e la parete interna (si vedano ad esempio gli elementi 3 e 13 nella forma di esecuzione della Fig. 1) del percorso di entrata del compressore e la direzione di vaporizzazione (si veda ad esempio l'elemento 4 nella forma di esecuzione della Fig. 1); nell'ambito della scelta di questi parametri, è necessario considerare il flusso di gas. Una posizione comoda per la vaporizzazione del liquido è rappresentata dalla parte anteriore del compressore, e in particolare dal suo raccordo di entrata (si veda ad esempio l'elemento 4 nella forma di esecuzione della Fig. 1).

Un liquido particolarmente appropriato per il lavaggio "on-line" è l'acqua distillata. La fase di lavaggio WF mostrata nella Fig. 3 comprende:

- una prima sotto-fase SF1 durante la quale il flusso della sostanza detergente liquida viene gradualmente aumentato (da zero al valore desiderato FL, ad esempio),

- una seconda sotto-fase SF2 durante la quale il flusso della sostanza detergente liquido viene mantenuto costante (ad esempio sul valore desiderato FL) e

- facoltativamente, una terza sotto-fase SF3 durante la quale il flusso della sostanza detergente liquida viene gradualmente ridotto (dal valore desiderato FL a zero).

L'aumento graduale risulta vantaggioso per il fatto che la miscela di fluido attraverso il compressore varia progressivamente. Per lo stesso motivo, la riduzione graduale risulta vantaggiosa, anche se è lievemente meno importante. Tuttavia, sono possibili fasi di lavaggio alternative; ad esempio, durante la seconda sotto-fase, il flusso potrebbe non essere costante e/o il valore di flusso potrebbe dipendere dalle condizioni operative del compressore.

La seconda sotto-fase SF2 dura per un periodo di tempo predeterminato T2 che è maggiore di 0,5 minuti e inferiore a 5 minuti; essa dura preferibilmente 1-2 minuti, per cui è piuttosto breve. La prima sotto-fase SF1 dura per un periodo di tempo predeterminato T1 che è maggiore di 5 secondi e inferiore a 30 secondi; essa è pertanto piuttosto lunga se paragonata alla seconda sotto-fase SF2. La terza sotto-fase SF3 dura per un periodo di tempo predeterminato T3 che è maggiore di 5 secondi e inferiore a 30 secondi; essa è pertanto piuttosto lunga se paragonata alla seconda sotto-fase SF2. La prima sotto-fase SF1 e la terza sotto-fase SF3 possono avere la stessa durata.

Si ottengono ottimi risultati quando la fase di lavaggio WF viene ripetuta un certo numero di volte durante la giornata, in particolare un numero predeterminato di volte per un periodo di tempo predefinito, come viene mostrato nella Fig. 4; in questa figura, il periodo di tempo tra una fase di lavaggio e quella successiva risulta differente (si vedano i riferimenti P1 e P2), ma potrebbe risultare più semplice da ripetere periodicamente. In condizioni operative normali, il numero di ripetizioni giornaliere viene selezionato nell'intervallo compreso tra 1 e 10 e, generalmente, ammonta a circa 4.

Grazie alle misure sopra menzionate e con le appropriate precauzioni, le fasi di lavaggio possono essere eseguite in qualsiasi momento durante il funzionamento; non è necessario alcun lavaggio quando il motore con turbina a gas viene avviato e fermato.

Ciò che è stato appena descritto, in particolare la soluzione degli ugelli e quella del processo di lavaggio, viene generalmente applicato al motore con turbina a gas, e in particolare al suo compressore (si veda ad esempio la Fig. 1).

Alcune delle caratteristiche del processo di lavaggio possono essere implementate mediante la struttura dell'ugello 4, presente nella realizzazione della Fig. 1.

Alcune delle caratteristiche del processo di lavaggio possono essere implementate mediante l'unità di controllo 19, presente nella realizzazione della Fig. 1.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per lavare un motore con turbina a gas durante il funzionamento del motore stesso, comprendente una fase di lavaggio che consiste nella vaporizzazione (4) di una sostanza detergente liquida verso l'ingresso del compressore (1) del motore; in cui la portata massica della sostanza detergente liquida da vaporizzare viene stabilita in modo tale che il rapporto tra liquido e gas all'ingresso del compressore (1) risulti maggiore dell'1% e inferiore del 5% in riferimento alla portata massica nominale del compressore (1).
2. Il metodo della rivendicazionel , in cui la pressione della sostanza detergente liquida da vaporizzare risulta maggiore di 0,2 MPa e inferiore a 2,0 MPa.
3. Il metodo della rivendicazione 1 o 2, in cui la sostanza detergente liquida viene vaporizzata a una certa distanza dalla parete esterna (2, 12) del percorso di entrata del compressore (1) e a una certa distanza dalla parete interna (3, 13) del percorso di entrata del compressore (1) nonché in una determinata direzione.
4. Il metodo della rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui la sostanza detergente liquida viene vaporizzata nella parte anteriore del compressore (1), in particolare dal raccordo di entrata (2) del compressore (1).
5. Il metodo di una delle precedenti rivendicazioni, in cui una fase di lavaggio (WF) comprende: - una prima sotto-fase (SF1) durante la quale il flusso della sostanza detergente liquida viene gradualmente aumentato, - una seconda sotto-fase (SF2) durante la quale il flusso della sostanza detergente liquida viene mantenuto costante e - opzionalmente, una terza sotto-fase (SF3) durante la quale il flusso della sostanza detergente liquida viene gradualmente ridotto.
6. Il metodo della rivendicazione 5, in cui detta seconda sotto-fase (SF2) dura per un periodo di tempo predeterminato che è maggiore di 0,5 minuti e inferiore a 5 minuti.
7. Il metodo della rivendicazione 5 o 6, in cui detta prima sotto-fase (SF1) e/o detta terza sotto-fase (SF3) durano per un periodo di tempo predeterminato che è maggiore di 5 secondi e inferiore a 30 secondi.
8. Il metodo di una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui una fase di lavaggio (WF) viene ripetuta un certo numero di volte al giorno, in particolare un numero predeterminato di volte per un periodo di tempo predefinito.
9. Il metodo della rivendicazione 8, in cui detto numero di volte è maggiore di 1 e inferiore a 10.
10. Un motore con turbina a gas comprendente un compressore (1), una turbina a valle del compressore e vari ugelli (4) per la vaporizzazione di una sostanza detergente liquida verso l'ingresso del compressore (1), nonché un'unità di controllo (19) predisposta per eseguire il metodo basato su una qualsiasi delle rivendicazioni comprese tra la 1 e la 9.