ITMI991208A1 - Dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico eper il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas - Google Patents

Description

La presente invenzione ha come oggetto un dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas.

Com'è noto, le turbine a gas sono macchine costituite da un compressore e da una turbina ad uno o più stadi, dove tali componenti sono tra loro collegati da un albero rotante e dove tra il compressore e la turbina è prevista una camera di combustione.

Al compressore viene alimentata aria proveniente dall'ambiente esterno per portarla in pressione.

All'interno della camera di combustione viene immesso il combustibile che viene acceso mediante opportune candele di accensione per produrre la combustione, la quale è finalizzata a provocare un aumento di temperatura e di pressione e quindi di entalpia del gas.

Successivamente, il gas ad alta temperatura ed alta pressione raggiunge, attraverso opportuni condotti, i differenti stadi della turbina, la quale trasforma l'entalpia del gas in energia meccanica disponibile ad un utilizzatore.

Nelle turbine a due stadi, il gas viene trattato nel primo stadio della turbina in condizioni di temperatura e pressione assai elevate ed in essa subisce una prima espansione; mentre nel secondo stadio della turbina esso subisce una seconda espansione, a condizioni di temperatura e di pressione inferiori alle precedenti.

E' noto inoltre che per ottenere il massimo rendimento da una determinata turbina a gas è necessario che la temperatura del gas sia la più elevata possibile; tuttavia i valori massimi di temperatura raggiungibili nell'impiego della turbina sono limitati dalla resistenza dei-materiali impiegati.

Al fine di rendere evidenti i problemi tecnici risolti dalla presente invenzione, nel seguito verrà sommariamente descritto il sistema di ugelli statorici e di palette rotoriche dei differenti stadi di una turbina a gas secondo la tecnica nota.

L'ugello di primo stadio serve per presentare il flusso di gas combusti in condizioni idonee all'ingresso del rotore di primo stadio, ed, in particolare, per dirigerlo in maniera opportuna nei vani delle palette del rotore, evitando che lo stesso vada a colpire direttamente la faccia dorsale o convessa e la faccia ventrale o concava delle palette.

Il complesso di ugelli per il secondo stadio di una turbina a gas è costituito da un corpo anulare, a sua volta divisibile in settori di ugelli, ogni settore essendo generalmente costituito da ugelli definiti o individuati da tre foglie, aventi un opportuno profilo alare.

Tale complesso di ugelli per il secondo stadio è conformato ad anello ed è vincolato esternamente alla cassa della turbina ed internamente ad un corrispondente supporto anulare.

A tal proposito, si osserva che un primo problema tecnico degli statori è dato dal fatto che lo statore è sottoposto ad elevati carichi di pressione dovuti alla riduzione di pressione tra ingresso ed uscita dell'ugello.

Inoltre, gli statori sono sottoposti ad elevati gradienti di temperatura, dovuti al flusso di gas caldi provenienti dalla camera di combustione e dal precedente stadio, ed ai flussi di aria fredda che vengono introdotti all'interno della turbina per raffreddare le parti maggiormente sollecitate dal punto di vista termico e meccanico.

Un secondo problema particolarmente sentito nella tecnica è quello di garantire un ottimale supporto e bloccaggio dei settori dell'ugello di secondo stadio che controbilanci le forze che tendono a spostarlo e quelle che tendono a portarlo in rotazione.

Inoltre, gli statori tradizionali presentano sistemi di supporto e bloccaggio che non consentono un facile smontaggio, qualora ciò si dovesse rivelare necessario al fine di effettuare operazioni di manutenzione o di sostituzione di una o più foglie statoriche usurate o danneggiate.

Un altro problema è dato dal fatto che gli statori sono soggetti alle vibrazioni trasmesse dalle palette statoriche durante il funzionamento della macchina.

Scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas, che sia particolarmente affidabile, per risolvere, in modo ottimale, i precitati problemi.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas che presenti una struttura semplice e compatta.

Altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che abbia basso costo e che sia costituito da un ridotto numero di pezzi componenti.

Ancora un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico in turbine a gas che consenta un facile montaggio e smontaggio, a seconda delle esigenze, delle palette statoriche per effettuare la loro manutenzione e la loro eventuale sostituzione.

Ulteriore scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che consenta un'ottima resistenza alle vibrazioni che interessano le palette statoriche di bassa pressione, impedendo che esse si trasferiscano sugli altri elementi del motore.

Ulteriore scopo dell'invenzione è quello di realizzare un dispositivo che consenta di compensare le dilatazioni termiche a cui sono soggetti i settori dell'ugello.

Non ultimo scopo dell'invenzione è la realizzazione di un dispositivo che sia sicuro, semplice ed economico.

Questi ed altri scopi sono raggiunti da un dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas, applicabile a settori di ugelli composti da più foglie, dove ciascuno dei suddetti settori di ugelli è connesso superiormente ad un anello esterno di contenimento per aria di raffreddamento ed è posizionato inferiormente su un anello interno che permette di disporre circonferenzialmente, rispetto all'asse della suddetta turbina a gas, i suddetti settori di ugelli, caratterizzato dal fatto che per ciascuna foglia del suddetto settore di ugelli sono previsti almeno un tubo inserito in un corrispondente canale presente all'interno delle suddette foglie, il quale mette in comunicazione un'area dove circola la suddetta aria di raffreddamento con il disco di alta pressione e con il disco di bassa pressione.

Secondo una realizzazione preferita della presente invenzione, l'anello esterno di contenimento per l'aria di raffreddamento è associato ad un anello mobile che permette di compensare le dilatazioni termiche differenziali che si determinano tra la cassa turbina e l'anello esterno.

Secondo un'altra realizzazione preferita della presente invenzione, l'anello interno presenta alloggiamenti per perni, dove tali perni sono impiegati per il posizionamento dei settori di ugelli.

Secondo un' ulteriore realizzazione preferita della presente invenzione, tra i perni e l' estremità inferiore delle foglie del settore di ugelli sono previsti rispettivi anelli di tenuta.

Inoltre, i perni di tenuta destro e sinistro sono montati in modo da presentare un gioco radiale maggiorato, rispetto al gioco relativo al perno centrale.

Secondo un' altra realizzazione preferita della presente invenzione , l ' anello interno presenta canali che sono rispettivamente in comunicazione con i tubi e con il disco di primo stadio ed il disco di secondo stadio .

Inoltre, i perni presentano fori per permettere la comunicazione dall ' aria di raffreddamento tra i tubi ed i canali dell' anello interno .

Ulteriormente, nel presente dispositivo lo sfilamento dei perni dall' anello interno viene impedito mediante impiego di opportuni settori, inseriti in una gola circonferenziale dell' anello interno, i quali sono conformati in modo da presentare sporgenze, le quali vengono piegate all' interno di fori presenti inferiormente nei suddetti perni .

Infine, l' anello interno presenta internamente un honeycomb che si interfaccia con i denti di tenuta sul rotore appartenente allo stadio ad alta pressione.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni allegate alla presente domanda di brevetto.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dall'esame della descrizione che segue e dei disegni annessi, che sono forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, e nei quali:

la figura 1 rappresenta una vista, in sezione, della porzione centrale di un settore di foglie statoriche di un ugello di secondo stadio per turbine a gas, al quale è applicato il dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, secondo la presente invenzione; e

la figura 2 rappresenta una vista, parzialmente in sezione, di un settore di foglie statoriche appartenente ad un ugello statorico, che illustra il sistema di posizionamento nel suo complesso.

Con particolare riferimento alle figure menzionate, il dispositivo di posizionamento e di raffreddamento per ugelli di uno stadio statorico in turbine a gas, è indicato globalmente con il riferimento numerico 10.

Com'è noto, il complesso di ugelli per il secondo stadio di una turbina a gas è costituito da un corpo anulare, a sua volta divisibile in settori di ugelli, indicati globalmente con il riferimento numerico 40 in figura 2.

Secondo una possibilità realizzativa della presente invenzione, descritta a titolo di esempio illustrativo, ma non limitativo di impiego, il corpo anulare presenta 16 settori di ugelli,- è tuttavia possibile applicare gli insegnamenti della presente descrizione brevettuale anche a corpi anulari aventi un numero differente di settori di ugelli.

Ogni settore è costituito da'ugelli definiti od individuati da tre foglie 11, 38 e 39, aventi un opportuno profilo alare.

Ogni settore 40 di ugelli è vincolato alla cassa turbina 14 per mezzo di un'asola 60 che presenta un foro per un perno 61.

Ogni settore 40 di ugelli è connesso superiormente ad un anello esterno 12, che ha la funzione di contenimento per l'aria di raffreddamento, ed è posizionato inferiormente su un anello interno 23, il quale permette di disporre circonferenzialmente, rispetto all'asse della turbina a gas, i settori 40 di ugelli.

Inoltre, ognuno dei settori 40 di ugelli presenta un risalto 36, il quale si impegna con una corrispondente gola della cassa turbina 14 ed un bordo 35, il quale si impegna con il lato opposto della cassa turbina 14.

Tra l'anello interno 23 ed il disco di primo stadio 37 e di secondo stadio 55 della turbina a gas, sono comunque previsti spazi, rispettivamente indicati con i riferimenti numerici 56 e 24 in figura 1, che permettono la circolazione dì aria di raffreddamento.

Tale aria di raffreddamento viene prelevata dallo spazio 61, in cui essa si trova ad una pressione PI e viene convogliata secondo la direzione indicata dalle frecce FI e F2 negli spazi 56 e 24, mediante tubi 17 e 18, inseriti in corrispondenti canali, come il canale 32 rappresentato in figura 1, presenti all'interno delle foglie 11, 38 e 39, che saranno meglio descritti nel seguito.

Si noti, tra l'altro, che l'anello esterno 12 permette di isolare lo spazio 16 dallo spazio 15 del settore 40 di ugelli e quindi di alimentare tutti i tubi di tutte le foglie 11, 38 e 39 appartenenti a tutti i settori 40 tramite un numero ridotto di fori di adduzione dell'aria di raffreddamento praticati sulla cassa turbina 14.

In corrispondenza dei settori 40 di ugelli, i gas si trovano a temperatura superiore rispetto alla temperatura dell'aria nello spazio 16, pertanto l'anello esterno 12 permette anche di limitare l'indesiderato riscaldamento dell'aria presente nello spazio 16.

Con riferimento alla figura 1, l'estremità destra dell'anello esterno 12 è tenuta in contatto con la superficie della cassa turbina 14, in modo da assicurare tale tenuta.

Inoltre, proprio per tenere conto di tali differenze di temperatura, l'anello esterno 12 di contenimento per l'aria di raffreddamento è associato ad un anello mobile 19, il quale permette di compensare le dilatazioni termiche differenziali tra la cassa turbina 14 e l'anello esterno 12 stesso.

I tubi 17 e 18 mettono, pertanto, in comunicazione l'area 16, dove circola l'aria di raffreddamento, con il disco di alta pressione 37 ed il disco di bassa pressione 55.

Con riferimento alla figura 1, si nota che per perfezionare tale sistema di circolazione di aria di raffreddamento, l'anello esterno 12 presenta corpi di contenimento anulare 45 che cooperano con boccole 13 per alloggiare le estremità del tubo 17 dal·lato della cassa turbina 14.

Inoltre, all'estremità opposta dei settori 40 di ugelli, l'anello interno 23 presenta alloggiamenti per perni 25, 41 e 42, che permettono il posizionamento dei settori 40 di ugelli.

Più in particolare, solo con riferimento alla figura 1, il perno 25 accoglie l'estremità terminale del tubo 17, all'interno di una propria cavità 29.

Un analogo sistema è impiegato per accogliere l'estremità terminale dei tubi associati alle foglie 38 e 39, mediante corrispondenti perni 41 e 42.

A tal proposito, si osserva che, tra i perni 25, 41 e 42, e l'estremità inferiore 33, 49 e 50, delle foglie 11, 38 e 39, sono previsti anelli di tenuta 30, 43 e 44.

Con riferimento alla figura 1, si nota che l'anello interno 23 presenta un risalto circonferenziale 33 che va in battuta con una porzione terminale 34 del settore 40 di ugelli, interposta tra di esso ed il perno 25.

Una caratteristica importante della presente invenzione è data dal fatto che i perni di tenuta destro 41 e sinistro 42, sono montati con un gioco radiale maggiorato, rispetto al perno centrale 25.

Questo accorgimento è particolarmente importante per il fatto che permette di compensare la dilatazione relativa del settore 40 di ugelli rispetto all'anello interno 23.

Per quanto riguarda il convogliamento di aria di raffreddamento si osserva che l'anello interno 23 presenta un canale 20 in comunicazione con il tubo 17; un analogo canale è in comunicazione con il tubo 18, il tutto in modo tale che l'aria di raffreddamento raggiunga, rispettivamente, il disco 37 di primo stadio ed il disco 55 di secondo stadio.

A tal proposito il perno 25 presenta un foro 28 per permettere la comunicazione del tubo 17 con il canale 20.

Un analogo sistema è impiegato per permettere la comunicazione di aria di raffreddamento da parte degli altri tubi, associati alle foglie 38 e 39.

Lo sfilamento dei perni 25 dall'anello interno 23 è impedito da settori 59, inseriti in una gola circonferenziale 52 dell'anello interno 23.

I settori 59 sono conformati in modo da presentare sporgenze 53 che vengono piegate all'interno di fori 27 presenti inferiormente nel perno 25.

L'anello interno 23 presenta, infine, un honeycomb 22 che si interfaccia con i denti 45 di tenuta sul rotore 37 dello stadio ad alta pressione.

Durante il funzionamento della turbina a gas, il flusso di gas ad alta temperatura viene intercettato dai settori 40 di ugelli e convogliato da questi ultimi alle palette rotoriche di secondo stadio.

Tuttavia, l'aria di raffreddamento presente nello spazio 16 viene mantenuta isolata in temperatura dai gas più caldi e viene convogliata mediante i tubi ed i perni sottostanti nei canali che la portano in contatto con il disco 37 di alta pressione e con il disco 55 di bassa pressione.

Le dilatazioni termiche dei settori 40 di ugelli sono compensate dal gioco maggiorato con il quale sono montati i perni laterali.

Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di posizionamento e di raffreddamento per ugelli di uno stadio statorico in turbine a gas che è oggetto della presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi.

E' chiaro che numerose varianti possono essere apportate al dispositivo di posizionamento e di raffreddamento per ugelli di uno stadio statorico in turbine a gas, oggetto della presente invenzione, senza per questo uscire dai princìpi di novità ìnsiti nell'idea inventiva.

E' chiaro infine che, nella pratica attuazione dell'invenzione, i materiali, le forme e le dimensioni dei dettagli illustrati potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze e gli stessi potranno essere sostituiti con altri tecnicamente equivalenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas, applicabile a settori (40) di ugelli composti da più foglie (11, 38, 39), dove ciascuno dei suddetti settori (40) di ugelli è connesso superiormente ad un anello esterno (12) di contenimento per aria di raffreddamento ed è posizionato inferiormente su un anello interno (23) che permette di disporre circonferenzialmente rispetto all'asse della suddetta turbina a gas i suddetti settori (40) di ugelli, caratterizzato dal fatto che per ciascuna foglia (11, 38, 39) del suddetto settore (40) di ugelli sono previsti almeno un tubo (17) inserito in un corrispondente canale (32) presente all'interno delle suddette foglie (11, 38, 39), il quale mette in comunicazione un'area (16) dove circola la suddetta aria di raffreddamento con il disco (37) di alta pressione ed il disco (55) di bassa pressione.
2. 2. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello esterno (12) di contenimento per l'aria di raffreddamento è associato ad un anello mobile (19) che permette di compensare le dilatazioni termiche differenziali che si determinano tra la cassa turbina (14) ed il suddetto anello esterno (12).
3. 3. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello esterno (12) presenta corpi di contenimento anulare (45) che cooperano con boccole (13) per alloggiare le estremità dal lato della cassa turbina (14) dei suddetti tubi (17, 18).
4. 4. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ognuno dei suddetti settori (40) di ugelli presenta un risalto (36) che si impegna con una corrispondente gola della cassa turbina (14) ed un bordo (35) che si impegna con il lato opposto della suddetta cassa turbina (14).
5. 5. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello interno (23) presenta alloggiamenti per perni (25, 41, 42), dove i suddetti perni (25, 41, 42) sono impiegati per il posizionamento del suddetti settori (40) di ugelli.
6. 6. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i suddetti perni (25, 41, 42) accolgono l'estremità terminale dei suddetti tubi di convogliamento di aria di raffreddamento (17, 18), all'interno di una cavità (29).
7. 7. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che tra i suddetti perni (25, 41, 42) e l'estremità inferiore (33, 49, 50) delle suddette foglie (11, 38, 39) sono previsti anelli dì tenuta (30, 43, 44).
8. 8. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che sia il suddetto perno di tenuta destro (41) e che il suddetto perno di tenuta sinistro (42)<' >sono montati in modo da presentare un gioco radiale maggiorato, rispetto a quello relativo al suddetto perno centrale (25).
9. 9. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello interno (23) presenta un risalto circonferenziale (33), dove il suddetto risalto va in battuta con una porzione terminale (34) del settore (40) di ugelli, interposta tra di esso ed il suddetto perno (25).
10. 10. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello interno (23) presenta canali (20) che sono rispettivamente in comunicazione con i tubi (17, 18) e con il suddetto disco (37) di primo stadio e con il suddetto disco (55) di secondo stadio.
11. 11. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che i suddetti perni (25, 41, 42) presentano una pluralità di fori (28) per permettere la suddetta comunicazione dei tubi (17, 18) con i suddetti canali (20).
12. 12. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento per ugelli, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che lo sfilamento dei suddetti perni (25, 41, 42) dal suddetto anello interno (23) è impedito da settori (59), inseriti in una gola circonferenziale (52) dell'anello interno (23), i quali sono conformati in modo da presentare sporgenze (53) che vengono piegate all'interno di fori (27) presenti inferiormente nei suddetti perni (25, 41, 42).
13. 13. Dispositivo di posizionamento e di raffreddamento per ugelli, come alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il suddetto anello interno (23) presenta, al suo interno, un honeycomb (22) il quale si interfaccia con i denti (45) di tenuta appartenenti al disco (37} dello stadio ad alta pressione.
14. 14. Dispositivo per il posizionamento di ugelli di uno stadio statorico e per il raffreddamento di dischi rotorici in turbine a gas, come sostanzialmente descritto ed illustrato nei disegni allegati.