ES2640870T3

ES2640870T3 - Procedimiento y turbina para expandir un fluido de trabajo orgánico en un ciclo de Rankine

Info

Publication number: ES2640870T3
Application number: ES12820924.4T
Authority: ES
Inventors: Mario Gaia; Roberto Bini
Original assignee: Turboden SpA
Current assignee: Turboden SpA
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2017-11-07
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: WO2013108099A2; JP2015505005A; CA2863171C; CA2863171A1; KR20140116121A; WO2013108099A3; CN104066937B; US9726047B2; US20140363268A1; CN104066937A; EP2805034A2; EP2805034B1; ITBS20120008A1

Abstract

Procedimiento para expandir un fluido de trabajo orgánico en un ciclo Rankine, que comprende la fase de alimentar el fluido de trabajo orgánico a una turbina (1) provista de una pluralidad de etapas, definida cada una por una serie de álabes (S1, Sn) de estátor que se alternan con una serie de álabes (R1, Rn) de rotor, vinculados a un árbol (2) que gira sobre el eje (X) de rotación respectivo, que comprende las etapas de: a) provocar una primera expansión del fluido de trabajo a través de una o más etapas radiales, y b) desviar el fluido de trabajo en una serie de álabes (AR), denominados álabes angulares, de la dirección de expansión sustancialmente radial a una dirección de expansión sustancialmente axial y tangencial con respecto a un observador integrado con dichos álabes (AR) angulares, e c) inducir una segunda expansión de fluido a través de una o más etapas axiales, en el que dicha etapa b) corresponde a un cambio de entalpía del fluido de trabajo igual al menos al 50 % del cambio de entalpía total medio proporcionado para completar la expansión de fluido en la turbina (1).

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento y turbina para expandir un fluido de trabajo organico en un ciclo de Rankine Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un procedimiento para expandir un fluido de trabajo organico en un ciclo de Rankine y a una turbina que permite implementar dicho procedimiento.

Estado de la tecnica

Con el acronimo COR "Ciclo organico de Rankine" se identifican habitualmente ciclos termodinamicos de tipo Rankine, que se utilizan en plantas correspondientes para la produccion de energla electrica a partir de energla termica utilizando un fluido de trabajo organico con alta masa molecular.

Por ejemplo, las plantas de COR se utilizan para la produccion combinada de energla electrica y termica a partir de biomasa solida; alternativamente se utiliza el calor residual de los procedimientos industriales, la recuperacion de calor de motores principales o fuentes de calor geotermico.

Por ejemplo, una planta de COR alimentada con biomasa normalmente comprende:

- una camara de combustion alimentada con biomasa de combustible;

- un intercambiador de calor provisto para dar parte del calor de los humos/gases de la combustion a un fluido de transferencia de calor, tal como un aceite diatermico, suministrado por un circuito intermedio;

- un intercambiador de calor provisto para dar una parte del calor del fluido de transferencia de calor intermedio a un fluido de trabajo a evaporar;

- una turbina alimentada con un fluido de trabajo en estado de vapor; y

- un generador electrico activado mediante la turbina para producir energla electrica.

En la camara de combustion, el fluido de transferencia de calor, por ejemplo aceite diatermico, se calienta normalmente hasta una temperatura igual a aproximadamente 300 °C. El fluido de transferencia de calor circula en un circuito cerrado, pasando a traves del intercambiador de calor mencionado anteriormente, en el que se evapora el fluido de trabajo organico. El vapor del fluido de trabajo se expande en la turbina, produciendo energla mecanica, transformada entonces en energla electrica por el generador conectado al arbol de la propia turbina. A medida que finaliza la expansion respectiva en la turbina, el vapor del fluido de trabajo se condensa en un condensador apropiado, dando calor a un fluido de refrigeracion, normalmente agua, usado corriente abajo de la planta como portador de calor a aproximadamente 80 °C-90 °C, por ejemplo para la calefaccion urbana. Se alimenta fluido de trabajo al intercambiador de calor cruzado por el fluido de transferencia de calor, completando el ciclo en circuito cerrado.

La potencia electrica producida puede utilizarse para activar dispositivos auxiliares de la planta y/o puede introducirse en una red de distribution de energla.

En plantas de COR caracterizadas por una relation de expansion alta y un cambio de entalpla del fluido de trabajo en la turbina alto, este ultimo esta provisto de tres o mas etapas, donde con el termino etapa se entiende el montaje de una serie de alabes de estator y la serie correspondiente de alabes de rotor.

A medida que el numero de etapas de la turbina aumenta en un cierto llmite, sera conveniente el uso de dos turbinas conectadas en serie para activar un solo generador. Por lo tanto, en lugar de aumentar el numero de etapas en una sola turbina, por ejemplo hasta seis etapas o mas, se adoptan dos turbinas, ambas con tres etapas.

Por ejemplo, en una planta disenada por el solicitante para producir 5 MW, en lugar de utilizar una unica turbina axial de seis etapas, concebida para girar a 3.000 rpm, se utilizan dos turbinas axiales, una a alta presion y la otra a baja presion, conectada con el eje respectivo a un unico generador, en lados opuestos con respecto a este ultimo.

Las soluciones con varias turbinas, como la descrita anteriormente, tienen mas de un inconveniente de tipo tecnico y economico. La planta debe estar provista de una serie de reductores para acoplar las turbinas al generador, de valvulas para la entrada de vapor en la turbina de baja presion ademas de valvulas de admision de alta presion, de un conducto aislado para la conexion fluida entre las turbinas, de cojinetes dobles, etc. Esto implica un aumento de los costes de produccion, as! como dificultades tecnicas para arrancar, detener y operar la planta.

La solicitud de patente de Estados Unidos 2008/0252077 describe una turbina para aplicaciones en plantas COR (parr. 11). La turbina es de tipo radial centrlpeta, con una sola etapa, por lo tanto la expansion del fluido de trabajo se produce sustancialmente a traves del eje de la propia turbina; el escape se produce sustancialmente en la direction axial.

En campos diferentes de lo que se ha descrito anteriormente, se han propuesto turbinas de gas provistas de etapas radiales que alternan con etapas axiales.

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Por ejemplo, la patente de Estados Unidos 3.462.953 describe una turbina de gas para aplicaciones aeronauticas, que por lo tanto no funciona de acuerdo con un ciclo de Rankine, que comprende una serie de alabes de rotor interpuestos entre las primeras etapas radiales que entran en la turbina y las etapas axiales que salen de la turbina. Estos alabes de rotor se disponen para desviar el gas de una direccion de expansion radial a una direccion de expansion axial.

Los documentos US 4.435.121, WO 2006/048401, DE 554163 y US 2011/085887 son descriptivos del estado de la tecnica.

Objeto y sumario de la invencion

Es un objeto de la presente invencion proporcionar una turbina y un procedimiento para expandir un fluido de trabajo organico en un ciclo de Rankine que permita solucionar los inconvenientes de las soluciones conocidas.

La presente invencion, en un primer aspecto de la misma, se refiere por lo tanto a un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1.

En particular, la presente invencion se refiere a un procedimiento para expandir un fluido de trabajo organico en un ciclo de Rankine, que comprende la fase de alimentar el fluido de trabajo a una turbina no centrlpeta provista de una pluralidad de etapas, definidas cada una por una serie de alabes de estator que alternan con una serie de alabes de rotor vinculados a un arbol que gira sobre el respectivo eje de rotacion. Ventajosamente, el procedimiento comprende las fases adicionales de:

a) inducir una primera expansion del fluido de trabajo a traves de una o mas etapas radiales,

b) desviar el fluido de trabajo en una serie de alabes, denominados alabes angulares, de la direccion de expansion inicial sustancialmente radial a una direccion de expansion sustancialmente axial y tangencial (con respecto a un observador integrado con dichos alabes angulares), y

c) proporcionar una segunda expansion de fluido a traves de una o mas etapas axiales.

La fase b) corresponde a un cambio de entalpla total o de entalpla sensible del fluido de trabajo igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en toda la turbina.

Con el termino cambio de entalpfa total medio se concibe la relacion entre el cambio de entalpla total de todas las etapas y el numero de etapas en las que se lleva a cabo la expansion. El cambio de entalpla total de todas las etapas corresponde a la diferencia entre la entalpla total del fluido de trabajo corriente abajo de todas las etapas y la entalpla total del fluido corriente arriba de todas las etapas.

En el ambito de la presente invencion se hace referencia, como es habitual frecuentemente en el campo de la turbina, a un sistema de coordenadas axialmente simetrico en el que un plano generico, sobre el que se encuentra el eje de rotacion del arbol de la turbina, se llama plano meridiano. La direccion ortogonal al eje de la maquina y que se encuentra en el plano meridiano considerado se denomina direccion radial. Con el termino direccion tangencial en un punto de un plano meridiano se identifica la direccion ortogonal al plano meridiano y ortogonal a la direccion radial que pasa a traves del punto. Una direccion paralela al eje de la maquina se define como direccion axial.

Mas en detalle, una etapa axial comprende una serie de alabes de estator y una serie correspondiente de alabes de rotor, corriente arriba y corriente abajo respectivamente de la direccion de flujo masico; a su vez el flujo se produce principalmente gracias a la componente de velocidad axial dentro del flujo.

Una etapa axial comprende una serie de alabes de estator y una serie correspondiente de alabes de rotor, corriente arriba y corriente abajo respectivamente de la direccion de flujo masico; a su vez el flujo se produce principalmente gracias a la componente de velocidad radial dentro del flujo.

Al realizar una primera expansion con etapas radiales y una segunda expansion con etapas axiales se obtienen excelentes resultados en terminos de eficiencia para las mismas condiciones, sin tener que proporcionar necesariamente dos turbinas sino, por el contrario, utilizando una unica turbina radial-axial.

En particular, el procedimiento permite evitar el uso de una turbina axial de alta presion y de una turbina axial de baja presion. La primera expansion de alta presion se produce radialmente con el flujo centrlfugo, en las etapas radiales correspondientes de la turbina, y la segunda expansion de baja presion se produce axialmente, en las etapas axiales correspondientes de la misma turbina.

Evidentemente, el procedimiento proporciona que el fluido se desvle entre las dos expansiones de la direccion de expansion radial inicial a la direccion de expansion axial final.

Los alabes angulares son alabes de estator o, alternativamente, alabes de rotor.

Las fases a)-c) se llevan a cabo en una unica turbina radial-axial. Preferentemente, la fase a) se lleva a cabo llevando el fluido de trabajo a traves de al menos una serie de alabes de estator y de una serie correspondiente de alabes de rotor dispuestos alternativamente en la direccion radial. La fase c) se lleva a cabo llevando el fluido de

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trabajo a traves de al menos una serie de alabes de estator y de una serie correspondiente de alabes de rotor dispuestos alternativamente en la direction axial. La fase b) se lleva a cabo llevando el fluido a traves de una serie de alabes de estator o de rotor, denominados alabes angulares, seguidos o precedidos por la serie correspondiente de alabes de rotor o de estator, respectivamente.

Al llevar a cabo el procedimiento descrito anteriormente, el vapor del fluido de trabajo se expande en una unica turbina y, por tanto, se evita la instalacion de dos turbinas en cascada o la adoption de una turbina axial con varias etapas (por ejemplo mas de tres), con obvias ventajas tecnicas y economicas.

Con respecto a la solution descrita en la patente de Estados Unidos 3.462.953, la presente invention proporciona que los alabes angulares esten dispuestos para realizar un cambio de entalpla del fluido de trabajo mayor o igual al 50 % del cambio de entalpla medio de toda la expansion en la turbina. En otras palabras, los alabes angulares descritos en la patente de Estados Unidos 3.462.953 tienen un papel marginal en la transformation de la energla del fluido de trabajo; por el contrario en la presente invencion, los alabes angulares estan dispuestos para transformar una portion significativa y cuantificada de forma precisa de la energla del fluido como entrada a la potencia del arbol de la turbina. Esto corresponde a una desviacion tangencial que los alabes angulares imparten al fluido de trabajo.

En una realization de procedimiento, los alabes angulares de la turbina son alabes de estator; el flujo de vapor en expansion se desvla en direccion axial y en direccion tangencial, es decir, en la serie de alabes angulares y para un observador integrado con estos se minimiza la componente radial del vector de velocidad del flujo de fluido de trabajo y la componente axial y la componente tangencial del mismo vector de velocidad se maximizan.

En una realizacion de procedimiento alternativa, los alabes angulares son alabes de rotor y entre las fases b) y c) se lleva a cabo una fase adicional d) de invertir el sentido de la direccion de expansion de vapor corriente abajo de la serie de alabes angulares. En otros terminos, el fluido que pasa a traves de la serie de alabes angulares de rotor se desvla en una direccion sustancialmente axial, pero a contraflujo con respecto a la direccion de cruce de etapas axiales de la turbina. Mas detalladamente, la serie de alabes angulares de rotor produce un efecto sobre el flujo de fluido de trabajo minimizando o eliminando la componente radial del respectivo vector de velocidad y aumentando la componente axial y la componente tangencial del mismo vector de velocidad en el movimiento relativo, para un observador integrado con los alabes angulares. En el movimiento absoluto, es decir, para un observador estacionario, el vector de velocidad del fluido de trabajo que sale de la serie alabes angulares es sustancialmente axial, es decir, la componente tangencial del vector de velocidad en el movimiento absoluto es mas o menos nula porque se equilibra con la velocidad tangencial de los mismos alabes angulares (denominadas convencionalmente con el termino velocidad al arranque).

Por lo tanto, el fluido corriente abajo de los alabes angulares de rotor se desvla adicionalmente de aproximadamente 180 °, para dirigirse adecuadamente a las etapas axiales y a la salida de la turbina. La inversion se obtiene preferentemente proporcionando a la turbina un conducto sustancialmente toroidal que conecta la section de salida de los alabes angulares a la seccion de entrada de la serie de alabes de estator inmediatamente corriente abajo; en la seccion axial el conducto se extiende de acuerdo con una curva en forma de U.

En su segundo aspecto, la presente invencion se refiere a una turbina de acuerdo con la revindication 6 para la expansion de un fluido de trabajo organico en un ciclo de Rankine.

En particular, la turbina comprende series de alabes de estator y series de alabes de rotor alternados con los anteriores y un arbol para soportar los alabes de rotor que esta girando sobre el eje de rotation respectivo. En una primera seccion de la turbina, las series de alabes de estator y las series de alabes de rotor se alternan en una direccion sustancialmente radial; en una segunda seccion de la turbina, las series de alabes de estator y las series de alabes de rotor se alternan en una direccion sustancialmente axial. Entre la primera y la segunda seccion de la turbina hay al menos una serie de alabes de estator o de rotor, denominados alabes angulares superiores, dispuestos para desviar el fluido de trabajo de una direccion de expansion sustancialmente radial en el movimiento absoluto a una direccion sustancialmente axial en el movimiento absoluto y tangencial en el movimiento absoluto o en el movimiento relativo, dependiendo de si los alabes angulares son, alabes de estator o alabes de rotor respectivamente. En otras palabras, los alabes angulares estan dispuestos para minimizar o eliminar, para un observador estacionario, la componente radial del vector de velocidad del fluido de trabajo que entra en la serie, y para aumentar, para un observador estacionario, la componente axial del vector de velocidad del fluido que sale de la serie y para aumentar tambien, para un observador integrado con los alabes angulares, la componente tangencial del vector de velocidad del fluido que sale de la serie.

El cambio de entalpla del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes angulares es igual a al menos el 50 % del cambio de entalpla medio proporcionado para completar la expansion de fluido en toda la turbina.

Preferentemente, el borde de ataque de los alabes angulares se extiende en una direccion sustancialmente axial, que es sustancialmente paralela al eje del arbol de la turbina, y el borde de salida respectivo se extiende en una direccion sustancialmente radial, que es sustancialmente ortogonal al eje del arbol de la turbina .

Preferentemente, los alabes angulares se extienden en una direccion radial y axial sustancialmente curvada. En otras palabras, la superficie de cada alabe angular fuerza el flujo de vapor del fluido de trabajo a cambiar la direccion

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de expansion de radial a axial.

En la realizacion preferida, los alabes angulares se extienden al menos en parte en la direccion tangencial para aumentar la componente tangencial del vector de velocidad del fluido de trabajo. De esta manera, es posible acelerar el fluido durante el desvlo del flujo a una ventaja de eficiencia, gracias a la reduccion de espesor de la capa llmite adyacente a las superficies de gula de flujo.

En una realizacion, la turbina comprende un colector de admision axial del fluido de trabajo dispuesto alineado con el arbol de la misma turbina. En este caso los alabes angulares son alabes de estator.

La desviacion del flujo de fluido de trabajo que causa la serie de alabes angulares corresponde a una disminucion de la entalpla. El cambio de entalpla que ocurre en la serie de alabes angulares es causado principalmente por una disminucion de la presion de fluido entre cada alabe angular adyacente, con respecto al valor de presion corriente arriba de la propia serie. De manera correspondiente ocurre una conversion casi total de energla de presion en energla cinetica, con perdidas dinamicas de fluido mlnimas.

En terminos cuantitativos, la serie de alabes angulares puede trabajar al menos la mitad del cambio de entalpla medio (definido por la relacion entre el cambio de entalpla total obtenido en la turbina y el numero de sus etapas) y, en la serie de alabes angulares, al menos el 10 % del cambio de entalpla disponible para la propia serie se transforma en energla cinetica del fluido de trabajo en movimiento relativo.

Preferentemente, en esta realizacion, el arbol esta soportado en voladizo por cojinetes provistos alrededor del arbol, en el lado opuesto con respecto al colector de admision.

En una realizacion alternativa, la turbina comprende una voluta de inversion de flujo. Los alabes angulares son alabes de rotor y la voluta define una curva de aproximadamente 180 ° entre ellas y la serie de alabes de estator inmediatamente corriente abajo, es decir define el conducto sustancialmente toroidal descrito anteriormente. De este modo se obtiene la inversion del sentido de la direccion axial de la expansion de vapor del fluido de trabajo.

En esta ultima realizacion descrita, preferentemente la seccion o conducto de paso que se extiende entre los alabes angulares y dicha curva se aumenta al menos parcialmente para obtener una desaceleracion del fluido de trabajo antes de invertir la direccion de expansion respectiva. Corriente abajo, o a lo largo de dicha curva, la voluta puede estar provista de al menos un puerto de entrada/extraccion del fluido de trabajo. Puede disponerse un colector de admision del fluido de trabajo radialmente con respecto al arbol, junto a los respectivos cojinetes de soporte.

Generalmente, al menos una serie de alabes de rotor esta montada preferentemente sobre discos de soporte acoplados a las correspondientes bridas del arbol con un dentado Hirth. Este tipo de acoplamiento tiene un efecto de autocentrado de los discos de soporte con respecto al arbol.

Para evitar que el arbol que lleva los discos de soporte se someta a efectos no deseados de empujes axiales, la turbina esta provista de camaras, definidas por volumenes internos correspondientes de la turbina, gracias a los que se determina un equilibrio de presiones que actuan sobre las dos caras de los propios discos.

En particular, las camaras estan provistas corriente arriba y corriente abajo de cada disco de soporte. Con referencia particular al primer disco de soporte, las camaras provistas en el mismo lado con respecto a dicho disco se alslan unas de otras, por ejemplo por medio de laberintos; las camaras separadas axialmente del primer disco de soporte se comunican a traves de uno o mas orificios pasantes realizados en el propio disco. Ademas, al menos una camara provista corriente abajo del primer disco de soporte comunica con las etapas de alta presion de la turbina provistas corriente arriba del primer disco.

Breve descripcion de los dibujos

Otros detalles de la invencion seran evidentes de todos modos a partir del siguiente curso de descripcion hecho con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la figura 1 es una vista en seccion parcial de una primera realizacion de la turbina de acuerdo con la presente invencion;

- la figura 2 es una vista en seccion parcial de una segunda realizacion de la turbina de acuerdo con la presente invencion;

- la figura 3 es una vista en seccion parcial de una tercera realizacion de la turbina de acuerdo con la presente invencion.

Descripcion detallada de la invencion

La figura 1 es una vista parcial, en una seccion axialmente simetrica, de una turbina 1 de acuerdo con la presente invencion para la expansion de un fluido de trabajo organico.

Preferentemente, el fluido de trabajo pertenece a la clase de hidrocarburos, mas preferentemente a los hidrocarburos clclicos. Por ejemplo, el fluido de trabajo es ciclopentano.

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La turbina comprende un arbol 2 que se extiende en la direccion X axial, una carcasa 3 exterior , o voluta, y una pluralidad de series de alabes S1-Sn de estator y de alabes R1-Rn de rotor alternados entre si, es decir segun el esquema S1-R1; S2-R2; Sn-Rn, etc.

En particular, la turbina 1 esta conceptualmente dividida en una primera seccion A y en una seccion posterior B de acuerdo con la direccion de expansion del vapor de fluido de trabajo. En la primera seccion A, denominada seccion de alta presion, se proporciona una primera expansion del fluido de trabajo en una direccion sustancialmente radial, que es ortogonal al eje X; en la segunda seccion B, denominada seccion de baja presion, se proporciona una segunda expansion del fluido de trabajo en una direccion sustancialmente axial, que es paralela al eje X.

Entre las dos secciones A y B de la turbina se proporciona al menos una serie de alabes AR de estator angulares que tienen la funcion de desviar el flujo de fluido de trabajo de la direccion radial inicial de expansion a la direccion axial, o incluso tangencial (direccion ortogonal a la hoja de papel mientras se observa la figura 1).

En particular, la turbina 1 mostrada en la figura 1 comprende tres etapas dispuestas radialmente S1-R1; S2-R2; S3-R3 corriente arriba de la serie de alabes AR angulares y una o mas etapas dispuestas axialmente S4-R4; S5-R5 (no mostrada), corriente abajo de la serie de alabes AR angulares. Generalmente, el numero de etapas corriente arriba y corriente abajo de los alabes AR angulares puede ser diferente.

Los alabes AR de estator angulares estan vinculados a la voluta 3 y, como se muestra en la figura, se extienden segun una trayectoria curvada (visto en seccion axial). El borde ARi de ataque de los alabes AR se extiende preferentemente en la direccion axial y el borde AR0 de salita se extiende preferentemente en la direccion radial; por lo tanto cada alabe AR se extiende a lo largo de una trayectoria curvada con tal recorrido del conducto dinamico de fluido para disminuir o eliminar (con respecto a los valores corriente arriba de los propios alabes) el componente radial medio del flujo de fluido de trabajo y generar los componentes axial y tangencial.

Preferentemente, los alabes AR de estator se extienden, cuando son observados por un observador colocado sobre el eje X de rotacion, con una primera longitud sustancialmente radial entre una base y una porcion periferica, despues de lo cual los alabes se curvan circunferencial o tangencialmente y despues tienen un conducto entre alabes que se desvia gradualmente en la direccion axial y tangencial.

Algunos alabes Rn de rotor y preferentemente todos ellos, estan soportados por discos 8 de soporte vinculados al arbol 2 de la turbina 1 por medio de un dentado Hirth identificado por la referencia numerica 10 (en seccion parcial). En particular, los discos 8 de soporte estan acoplados a una brida 9 del arbol, como se muestra en la figura. El dentado Hirth permite que los discos 8 "floten" en la direccion radial, autocentrandose con respecto al eje X.

Las barras de suspension de acero (no mostradas) empujan los discos 8 de soporte axialmente contra la correspondiente brida de acoplamiento del arbol 2.

El arbol 2 esta soportado por cojinetes (mostrados junto con un sellado del fluido) en los extremos respectivos, o bien preferentemente esta soportado en voladizo, con los cojinetes dispuestos en el mismo lado de los discos 8 de soporte.

La voluta 3 esta provista de uno o mas colectores 7 de entrada del vapor de fluido de trabajo a expandir.

La trayectoria que el vapor produjo durante la expansion relativa se muestra mediante las flechas.

La figura 2 muestra una realizacion alternativa de la turbina 1, en la que los alabes AR angulares son alabes de rotor, soportados por un disco 8. Los numeros de referencia iguales a los indicados en la figura 1 identifican elementos identicos o equivalentes.

A diferencia de la solucion precedente, el flujo de vapor del fluido de trabajo se desvia de la serie de alabes AR angulares en la direccion axial, pero a contraflujo con respecto a la extension axial de la turbina 1, que se desvia hacia la parte en la que el fluido entra en la turbina 1. Por esta razon, la voluta 3 define un conducto 4 toroidal que se curva como un U para invertir la direccion del flujo de alimentacion, para dirigir el flujo hacia las etapas B de baja presion.

Preferentemente, corriente abajo de la serie de alabes AR de rotor angulares, la seccion del conducto 4 aumenta para provocar la desaceleracion del flujo antes de la inversion de su direccion de alimentacion. Entre la serie de alabes AR y la seccion B de baja presion, pueden estar presentes uno o mas puertos 5 de entrada o de extraccion.

Tambien en esta segunda realizacion los alabes AR angulares aumentan preferentemente la componente tangencial del vector de velocidad del flujo de vapor con respecto al valor corriente abajo de los propios alabes AR angulares.

La figura 3 muestra una tercera realizacion de la turbina 1. Los alabes AR angulares son alabes de estator y estan soportados por la voluta 3. A diferencia de la primera realizacion, el arbol 3 esta soportado en voladizo sobre cojinetes correspondientes provistos en el mismo lado de la voluta 3, y en particular en el mismo lado de la voluta de escape de la voluta 3.

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En esta realizacion, la entrada del vapor a expandir se realiza directamente en la direction frontal, como se muestra en la figura, por medio de un colector 6 axial montado alineado y coaxial con respecto al arbol 2. Tambien en la primera realizacion con el arbol 2 montado en voladizo, se puede adoptar el colector 6 axial.

Tambien en la segunda y en la tercera realizacion el numero de etapas de estator y rotor puede ser diferente de lo que se muestra en las figuras.

Haciendo referencia a las figuras 1-3, la turbina 1 comprende las camaras Ci, C2, C3, C4, delimitando cada una un volumen dentro de la turbina caracterizado por un valor de presion relativa. Las camaras C1, C2, C3, C4 estan dispuestas para obtener una compensation de los empujes axiales que actuan sobre discos 8 de soporte en virtud de las diferencias de presion entre las diferentes secciones A-B de la turbina 1.

Con referencia particular a la figura 1, el laberinto L mantiene la camara C3 sustancialmente separada de la section A de alta presion. Para evitar que la presion del fluido de trabajo que pasa a traves de la seccion de alta presion empuje el primer disco 8 de soporte hacia la camara C1 (hacia la derecha, viendo figura 1), este ultimo se comunica con la seccion A de alta presion por medio de uno o mas orificios pasantes que se abren entre las series S1 y R1 cruzando el primer disco 8, o bien en otra position en la propia seccion A.

De manera similar, las camaras C2 y C4 se comunican entre si y con la seccion de escape de la turbina a traves de un conducto que se extiende a traves del segundo disco 8 de soporte; entre la camara C1 y C2 se proporciona un laberinto de separation.

Con la disposition descrita, la presion de la camara C1 es igual o proxima a la presion del fluido en el punto seleccionado de la seccion A de alta presion y la presion en las camaras C2, C3 y C4 se iguala a la presion de escape de la turbina 1.

La turbina 1 mostrada en una cualquiera de las figuras 1-3 permite llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la presente invention, como se ha descrito anteriormente.

Ventajosamente, la turbina 1 permite obtener un cambio de entalpla alto y una relation de expansion alta en un ciclo de Rankine con fluido organico.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para expandir un fluido de trabajo organico en un ciclo Rankine, que comprende la fase de alimentar el fluido de trabajo organico a una turbina (1) provista de una pluralidad de etapas, definida cada una por una serie de alabes (S1, Sn) de estator que se alternan con una serie de alabes (R1, Rn) de rotor, vinculados a un arbol (2) que gira sobre el eje (X) de rotacion respectivo, que comprende las etapas de:

a) provocar una primera expansion del fluido de trabajo a traves de una o mas etapas radiales, y

b) desviar el fluido de trabajo en una serie de alabes (AR), denominados alabes angulares, de la direccion de expansion sustancialmente radial a una direccion de expansion sustancialmente axial y tangencial con respecto a un observador integrado con dichos alabes (AR) angulares, e

c) inducir una segunda expansion de fluido a traves de una o mas etapas axiales,

en el que dicha etapa b) corresponde a un cambio de entalpla del fluido de trabajo igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1).
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la etapa a) se lleva a cabo guiando el fluido de trabajo a traves de al menos una serie de alabes (S1, Sn) de estator y de una serie correspondiente de alabes (R1, Rn) de rotor, dispuestos alternativamente en la direccion radial, la fase c) se lleva a cabo guiando el fluido de trabajo a traves de al menos una serie de alabes (S1, Sn) de estator y de una serie correspondiente de alabes (R1, Rn) de rotor, dispuestos alternativamente en la direccion axial, y la etapa b) se lleva a cabo guiando el fluido a traves de una serie de alabes (AR) angulares de estator o de rotor, y en el que

si los alabes (AR) angulares son alabes de estator, entonces el cambio de entalpla sensible del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes (AR) angulares es igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1),

si los alabes (AR) angulares son alabes de rotor, entonces el cambio de entalpla total del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes (AR) angulares es igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1).
3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que los alabes (AR) angulares son alabes de rotor y en el que entre las etapas b) y c) se lleva a cabo la etapa de:

d) invertir el sentido de la direccion de expansion de fluido corriente abajo de la serie de alabes (AR) angulares.
4. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3, en el que al menos el 10 % del cambio de entalpla total causado por la expansion del fluido de trabajo en dicha etapa b) se transforma en energla cinetica del fluido de trabajo que sale de la serie de alabes (AR) angulares.
5. Turbina (1) para la expansion de un fluido de trabajo organico de un ciclo de Rankine, que comprende series de alabes (S1, Sn) de estator y series de alabes (R1, Rn) de rotor, alternados con los primeros, y un arbol (2) para soportar los alabes (R1, Rn) de rotor que esta girando sobre el respectivo eje (X) de rotacion, en el que en una primera seccion (A) de la turbina las series de alabes (S1, Sn) de estator y las series de alabes (R1, Rn) de rotor se alternan en una direccion sustancialmente radial, en una segunda seccion (B) de la turbina las series de alabes (S1, Sn) de estator y las series de alabes (R1, Rn) de rotor se alternan en una direccion sustancialmente axial, y entre la primera y la segunda secciones de la turbina hay al menos una serie de alabes (AR) de rotor o de estator, denominados alabes angulares, dispuestos para desviar el fluido de trabajo de una direccion de expansion sustancialmente radial a una direccion de expansion sustancialmente axial y/o tangencial,

en la que dichos alabes (AR) angulares son adecuados para un cambio de entalpla del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes (AR) angulares igual a al menos el 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1).
6. Turbina (1) de acuerdo con la reivindicacion 5, en la que:

los alabes (AR) angulares son alabes de estator, y el cambio de entalpla sensible del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes (AR) angulares es igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1),

o bien:

los alabes (AR) angulares son alabes de rotor y el cambio de entalpla total del fluido de trabajo expandido a traves de los alabes (AR) angulares es igual al menos al 50 % del cambio de entalpla total medio proporcionado para completar la expansion de fluido en la turbina (1).
7. Turbina (1) de acuerdo con la reivindicacion 5 o 6, en la que el borde (ARi) de ataque de los alabes (AR) angulares se extiende en una direccion sustancialmente axial y el borde (ARo) de salida respectivo se extiende en una direccion sustancialmente radial.
8. Turbina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en la que los alabes (AR) angulares se extienden

5

10

15

20

25

30

35

en una direccion radial y axial sustancialmente curvada.
9. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5-8, en la que dichos alabes (AR) angulares se extienden al menos parcialmente en una direccion tangencial para aumentar la componente tangencial del vector de velocidad de fluido al menos en el movimiento relativo observado por un observador integrado con los alabes (AR) angulares.
10. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, que comprende un colector (6) de admision axial del fluido de trabajo dispuesto alineado con el arbol (2), y en el que dicho arbol (2) esta soportado en voladizo por cojinetes provistos desde el lado opuesto con respecto a dicho colector (6) de admision y en la que dichos alabes (AR) angulares son alabes de estator o de rotor.
11. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 5-9, que comprende una voluta (3), y en la que dichos alabes (AR) angulares son alabes de rotor y entre ellos y la serie de alabes (S4) de estator inmediatamente corriente abajo, la voluta (3) define una curva (4) de aproximadamente 180 ° en la que se invierte el sentido de la direccion axial de expansion del fluido.
12. Turbina de acuerdo con la reivindicacion 11, en la que la seccion de paso entre los alabes (AR) angulares y dicha curva (4) se aumenta al menos parcialmente para obtener una desaceleracion del fluido de trabajo antes de invertir la direccion de expansion respectiva.
13. Turbina de acuerdo con la reivindicacion 11 o la reivindicacion 12, en la que, corriente abajo de dicha curva (4),

la voluta (3) esta provista de al menos un orificio (5) de entrada/extraccion del fluido de trabajo.
14. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores 11 a 13, que comprende un colector (7) de admision del fluido de trabajo dispuesto radialmente con respecto al arbol (2), en una posicion sustancialmente intermedia entre los respectivos cojinetes de soporte.
15. Turbina de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos una serie de alabes (R1, Rn) de rotor esta montada sobre discos (8) de soporte acoplados a las bridas (9) correspondientes del arbol (2) con un dentado (10) de Hirth.
16. Turbina de acuerdo con la reivindicacion 15, en la que corriente arriba y corriente abajo de un primer disco (8) de

soporte, con respecto al eje (X) de rotacion, se proporciona al menos una camara (C1-C4) y definida por un volumen

interno correspondiente de la turbina (1), y en la que las camaras (C1, C4) dispuestas en el mismo lado del primer disco (8) de soporte estan sustancialmente aisladas unas de otras, y en la que el primer disco (8) de soporte esta provisto de al menos un orificio pasante para igualar la presion dentro de las dos camaras (C3-C4) separadas por el propio primer disco (8) de soporte, o bien para igualar la presion de la camara (C1) corriente abajo del primer disco de soporte con la presion dentro de la primera seccion (A) de la turbina (1).
17. Turbina de acuerdo con la reivindicacion 16, que comprende dos discos (8) de soporte, en la que el segundo disco de soporte esta situado corriente abajo del primer disco de soporte y esta provisto de al menos un orificio pasante para igualar la presion dentro de la camara (C4) Inmediatamente corriente arriba del propio segundo disco con la presion de escape de la turbina (1).