IT201900003077A1

IT201900003077A1 - Configurazione di turbomacchina compressore-espantore multistadio

Info

Publication number: IT201900003077A1
Application number: IT102019000003077A
Authority: IT
Inventors: Francesco Cangioli; Davide Biliotti; Giuseppe Iurisci; Alice Innocenti; Neri Massimiliano Ortiz; Duccio Fioravanti; Giuseppe Sassanelli
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-09-04
Also published as: AU2020233098B2; FI3935270T3; CA3130263C; EP3935270A1; CA3130263A1; WO2020177929A1; DK3935270T3; EP3935270B1; US20220154638A1; CN113544370A; AU2020233098A1; BR112021017024A2

Description

CONFIGURAZIONE DI TURBOMACCHINA COMPRESSORE-ESPANTORE

MULTISTADIO

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

[0001] La presente descrizione riguarda turbomacchine. Specificamente, forme di realizzazione qui descritte riguardano configurazioni di compressori-espantori integrali.

ARTE ANTERIORE

[0002] In molte applicazioni industriali esiste la necessità di aumentare la pressione di un flusso di gas. Compressori dinamici, come in particolare compressori centrifughi, sono spesso usati per comprimere un flusso gassoso. Il compressore è azionato da potenza meccanica, che viene fornita da un azionatore, quale un motore elettrico. In molti impianti industriali flussi di gas compresso devono essere espansi. Allo scopo di recuperare potenza meccanica, l'espansione è spesso effettuata in un espantore. In alcune configurazioni note, un espantore e un compressore sono combinati in una disposizione compressore-espantore integrale, che può anche comprendere una macchina elettrica. Quando la potenza meccanica generata dall'espantore è bilanciata dalla potenza meccanica richiesta per azionare il compressore, la configurazione è un cosiddetto espantore-compressore. La macchina elettrica può essere fatta funzionare in modo generatore elettrico, quando la potenza generata dall'espantore supera la potenza richiesta per azionare il compressore, così che la potenza meccanica in eccesso è convertita in potenza elettrica. Quando la potenza generata dall'espantore è minore rispetto alla potenza richiesta per azionare il compressore, la macchina elettrica viene fatta funzionare in modo motore, per fornire potenza supplementare per azionare il compressore.

[0003] Un espantore-compressore integrale di questo tipo è descritto ad esempio in US2013/0091869.

[0004] Un importate aspetto nella progettazione di configurazioni di compressoriespantori combinati consiste in un efficiente recupero energetico e in un funzionamento ottimale degli stadi compressore. Vengono compiuti sforzi continui allo scopo di incrementare l'efficienza e l'affidabilità del funzionamento di queste macchine.

SOMMARIO

[0005] In forme di realizzazione qui descritte, viene prevista una turbomacchina, che comprende una disposizione di alloggiamento e un albero supportato per ruotare nella disposizione di alloggiamento. L'albero è supportato girevolmente per mezzo di una prima unità di supporto e una seconda unità di supporto, atte a supportare girevolmente l'albero nella disposizione di alloggiamento. Nella disposizione di alloggiamento sono previste una prima sezione di compressore e una seconda sezione di compressore. La prima sezione di compressore comprende una prima girante di compressore montata sull'albero per ruotare con esso, e la seconda sezione di compressore comprende una seconda girante di compressore montata sull'albero per ruotare con esso. La turbomacchina comprende, inoltre, un primo espantore e un secondo espantore montati sull'albero, per ruotare con esso all'interno della disposizione di alloggiamento, atti a generare potenza meccanica espandendo un flusso gassoso attraverso di essi e ad azionare la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore.

[0006] In forme di realizzazione particolarmente preferite, l'intera potenza richiesta per azionare le sezioni di compressore viene fornita dagli espantori, così che non è richiesta alcuna macchina elettrica esterna e l'albero può essere alloggiato a tenuta all'interno della disposizione di alloggiamento. Non sono richieste guarnizioni o tenute su componenti di macchina ruotanti, per ridurre trafilamenti verso l'ambiente. Si ottiene una cassa completamente sigillata.

[0007] In alcune forme di realizzazione, gli espantori sono disposti in serie, cosicché gas parzialmente espanso nell'espantore più a monte viene ulteriormente espanso nell'espantore più a valle. Il salto di entalpia attraverso la turbomacchina è così suddiviso in due parti. Questo consente di far funzionare la turbomacchina a una velocità di rotazione limitata. Per fornire un funzionamento più affidabile, le giranti degli espantori e delle sezioni di compressore possono essere montate in una configurazione impilata, anziché in una configurazione con calettamento a caldo, così che si garantisce un funzionamento più sicuro anche ad elevate velocità di rotazione. In questo modo possono essere raggiunte potenze più elevate senza limitazioni dovute al rischio di un allentamento dell'accoppiamento girante-albero a causa delle forze centrifughe. La combinazione di espantori disposti in serie e di albero impilato consente di progettare turbomacchine di elevata potenza, atte a sfruttare considerevoli salti di pressione attraverso gli espantori. Ciò può dar luogo a un efficiente recupero energetico.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0008] Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti sarà ottenuta quando la suddetta invenzione sarà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui: la

Fig.1 illustra una vista in sezione di una forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.2 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.3 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.4 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.5 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.6 illustra uno schema di un‘ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.7 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.8 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.9 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.10 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; la

Fig.11 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione; e la

Fig.12 illustra uno schema di un’ulteriore forma di realizzazione di una turbomacchina secondo la presente descrizione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0009] La turbomacchina secondo la presente descrizione comprende un singolo albero, su cui sono montate più giranti. Le giranti comprendono due giranti di espantore e due giranti di compressore. Gli espantori forniscono l'intera potenza richiesta per azionare le giranti di compressore, così che i componenti ruotanti delle sezioni di compressore e degli espantori possono essere alloggiati in una disposizione di alloggiamento sigillata, senza un albero ruotante che si estende all'esterno della cassa, in modo tale che non sono richieste tenute e sono evitati trafilamenti. In alcune forme di realizzazione, l'albero è un albero impilato, così che si possono raggiungere velocità di rotazione più elevate a causa dell'assenza di una connessione a caldo.

[0010] Venendo ora alla Fig.1, una prima forma di realizzazione di una turbomacchina 1 comprendente una configurazione compressore-espantore integrale è mostrata in una sezione lungo un piano di sezione contenente l'asse di rotazione A-A della turbomacchina 1.

[0011] La turbomacchina 1 comprende una disposizione di alloggiamento 3. Nel senso qui usato il termine "disposizione di alloggiamento" può essere inteso come una singola cassa che alloggia un albero ruotante, o una pluralità di compartimenti collegati l'uno all'altro con un albero ruotante che si estende attraverso i compartimenti. Nella forma di realizzazione della Fig.1, la disposizione di alloggiamento 3 comprende un primo compartimento centrale 3A e due compartimenti laterali 3B, 3C. Il compartimento centrale 3A alloggia le sezioni di compressore della turbomacchina 1. Le sezioni di compressore, cumulativamente indicate con 5, possono comprendere una prima sezione di compressore 5A e una seconda sezione di compressore 5B. Nella forma di realizzazione della Fig.1, la prima sezione di compressore 5A e la seconda sezione di compressore 5B comprendono ciascuna un singolo stadio di compressore con una singola girante. Altre forme di realizzazione possono comprendere un maggior numero di sezioni, e/o una, alcune o tutte le sezioni di compressore possono comprendere più di una girante.

[0012] Nella forma di realizzazione della Fig.1 la prima sezione di compressore 5A comprende una girante di compressore 7A e la seconda sezione di compressore 5B comprende una girante di compressore 7B.

[0013] In Fig.1 la sezione di compressore 5A, 5B sono disposte in linea, così che un singolo flusso gassoso entra nella sezione di compressore 5A più a monte, viene compresso in essa e il flusso gassoso parzialmente compresso viene alimentato alla seconda sezione di compressore 5B più a valle, per essere ulteriormente compresso. La disposizione di alloggiamento 3, pertanto, comprende un singolo ingresso di compressore 9 e una singola uscita di compressore 11.

[0014] La turbomacchina 1 comprende, inoltre, un primo turboespantore 13 alloggiato nel compartimento 3B e un secondo turboespantore 15 alloggiato nel compartimento 3C. Ciascun turboespantore 13, 15 comprende un ingresso di gas 13.1 e 15.1 e un’uscita di gas 13.2, 15.2, rispettivamente. Il turboespantore 13 comprende una girante di turboespantore 19 e il turboespantore 15 comprende una girante di turboespantore 21.

[0015] In forme di realizzazione preferite, una o entrambe le giranti di turboespantore 19, 21 sono disposte in una configurazione a sbalzo, cioè sono supportate alle rispettive prima e seconda estremità di un albero ruotante 23, che sporge liberamente oltre rispettive unità di supporto 25, 27. La configurazione a sbalzo dei turboespantori rende più facile lo scarico del flusso di gas espanso. Inoltre, l'accesso alle giranti di turboespantore 19, 21 è reso più facile, ad esempio per scopi di manutenzione o riparazione.

[0016] Le unità di supporto 25, 27 possono comprendere cuscinetti magnetici attivi. In generale, le unità di supporto 25, 27 forniscono supporto radiale e assiale per l'albero 23. Ad esempio, ciascuna unità di supporto 25, 27 può avere un supporto radiale 25.1 e 27.2, rispettivamente. Almeno una delle unità di supporto 25, 27 può comprendere, inoltre, un supporto assiale, come mostrato in via esemplificativa in 25.2. Se è previsto un singolo supporto assiale, quest'ultimo ha una funzione di supporto assiale bidirezionale. In altre forme di realizzazione, ciascuna unità di supporto può comprendere un semi-supporto assiale, i due semi-supporti assiali fornendo ciascuno una funzione di supporto in un verso soltanto.

[0017] Nella forma di realizzazione della Fig.1 i turboespantori 13, 15 sono turboespantori centripeti, cioè il flusso di gas entra nella rispettiva girante radialmente ad ogni ingresso di girante ed esce dalla girante assialmente ad una uscita della girante. Gli ingressi delle giranti di turboespantore 19, 21 sono mostrati in 19.1 e 21.1, e le uscite delle giranti di turboespantore sono mostrate in 19.2 e 21.2, rispettivamente. Il gas fluisce radialmente verso l'interno dall'ingresso verso l'asse di rotazione A-A ed è deviato dalla girante verso una direzione sostanzialmente assiale all'uscita del turboespantore. Fra un rispettivo plenum di ingresso 13.4 e 15.4 e la girante di turboespantore 19, 21 possono essere previsti vani di guida di ingresso (IGV) variabili, schematicamente mostrati in 13.5 e 15.5. I vani di guida di ingresso variabili migliorano la flessibilità della turbomacchina, poiché l'angolo di deviazione del flusso di gas che entra nella rispettiva girante di turboespantore 19, 21 può essere adattato alle condizioni di funzionamento, in particolare alla velocità di rotazione della turbomacchina.

[0018] La turbomacchina 1 può avere una configurazione impilata, in cui entrambe le giranti di turboespantore 19, 21 e entrambe le giranti di compressore 7A, 7B sono formate integralmente con una rispettiva porzione dell'albero 23, e le porzioni di albero sono impilate l'una sull'altra per formare l'albero 23. Più specificamente, in Fig.1 l'albero 23 comprende sei porzioni di albero, contrassegnate con 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5 e 23.6. La porzione di albero 23.1 è integralmente formata con la girante di turboespantore 19. La porzione di albero 23.2 si estende attraverso la prima unità di supporto 25 ed è torsionalmente accoppiata ad una estremità con la prima porzione di albero 23.1 e all'estremità opposta con una prima estremità della terza porzione di albero 23.3. Quest'ultimo è integralmente formato con la prima girante di compressore 7A. La seconda estremità della terza porzione di albero 23.3 è torsionalmente accoppiata alla prima estremità della quarta porzione di albero 23.4, che a sua volta è formata integralmente con la seconda girante di compressore 7B. La seconda estremità della quarta porzione di albero 23.3 è torsionalmente accoppiata con una prima estremità della quinta porzione di albero 23.5 che si estende attraverso la seconda unità di supporto 27. La seconda estremità della quinta porzione di albero 23.5 è accoppiata torsionalmente alla sesta porzione di albero 23.6, che è integralmente formata con la girante di turboespantore 21.

[0019] Formando ciascuna girante integralmente, cioè monoliticamente, con la rispettiva porzione di albero, si ottiene un rotore di turbomacchina, che può essere fatto ruotare a velocità più elevate di quelle di un rotore in cui le giranti sono calettate a caldo.

[0020] Ciascuna coppia di porzioni di albero torsionalmente accoppiate tra loro sono collegate per mezzo di un tirante e una coppia di dentature frontali mutuamente ingrananti, ad esempio per mezzo di un accoppiamento Hirth, che comprende denti rastremati che ingranano insieme sulle facce di estremità di ciascuna di due porzioni di albero mutuamente accoppiate. Tiranti che collegano le varie porzioni di albero sono schematicamente mostrati in 31.1, 31.2 e 31.3.

[0021] Le varie sezioni di turboespantore e turbocompressore della turbomacchina 1 possono essere in accoppiamento di fluido secondo varie configurazioni. Continuando a riferirsi alla Fig.1, una prima configurazione dell'accoppiamento di fluido è schematicamente mostrata in Fig.2. In questa forma di realizzazione, i turboespantori 13, 15 sono disposti in sequenza, così che un flusso di gas compresso viene espanso parzialmente nel primo turboespantore 13 e successivamente ulteriormente espanso nel secondo turboespantore 15. L'uscita di gas 13.2 del primo turboespantore 13 è in accoppiamento di fluido con l'ingresso di gas 15.1 del secondo turboespantore 15. Questa configurazione è particolarmente vantaggiosa, poiché il salto entalpico è suddiviso in due turboespantori 13, 15 disposti in sequenza e la velocità di rotazione dell'albero 23 può essere mantenuta a valori bassi.

[0022] Le sezioni di compressore 5A, 5B sono anch'esse disposte in serie, cioè in sequenza, così che lo stesso flusso di gas viene elaborato sequenzialmente nella prima sezione di compressore 5A e nella seconda sezione di compressore 5B.

[0023] In altre forme di realizzazione i turboespantori 13, 15 possono essere disposti in parallelo anziché in serie. Questo può essere preferito, per esempio, se il salto di pressione del gas espanso nei turboespantori è relativamente piccolo, ma la portata di gas è elevata. Continuando a riferirsi alla Fig.1, una forma di realizzazione con turboespantori 13, 15 in parallelo è mostrata schematicamente in Fig.3. Gli stessi numeri di riferimento della Fig.1 sono usati in Fig.3 per designare gli stessi componenti o parti. Nella configurazione della Fig.3 un flusso di gas compresso da espandere nei turboespantori 13, 15 viene suddiviso in due flussi parziali, che sono espansi nei due turboespantori 13, 15 disposti in parallelo. Le sezioni di compressore 5A, 5B della Fig.3 sono disposte in serie come mostrato in Fig.1 e 2.

[0024] In alcune forme di realizzazione, le sezioni di compressore 5A, 5B sono inter-refrigerate. Continuando a riferirsi alla Fig.1, la Fig.4 è schematicamente mostrata una turbomacchina 1 con compressore inter-refrigerato. Gli stessi numeri di riferimento indicato gli stessi elementi, parti o componenti già descritti in relazione alla Fig.1. Nella forma di realizzazione schematica della Fig.4, la disposizione di alloggiamento 3 comprende un primo ingresso di compressore 9A, in accoppiamento di fluido con la prima sezione di compressore 5A. Gas parzialmente compresso viene scaricato sul lato di mandata della prima sezione di compressore 5A attraverso una prima uscita di compressore 11A, che è in accoppiamento di fluido con un lato di ingresso di uno scambiatore di calore di un inter-refrigeratore complessivamente indicato con 12. Il lato di uscita dello scambiatore di calore è in accoppiamento di fluido con un secondo ingresso di gas 9B, attraverso il quale il gas parzialmente compresso e raffreddato è alimentato alla seconda sezione di compressore 5B. La disposizione di alloggiamento comprende, inoltre, una seconda uscita di compressore 11B, attraverso la quale è alimentato il gas compresso.

[0025] I turboespantori 13, 15 della turbomacchina 1 della Fig.4 possono essere disposti in serie o in parallelo, secondo una qualsiasi delle disposizioni sopra descritte.

[0026] Nello schema della Fig.4 le sezioni di compressore 5A, 5B sono in serie, in altre forme di realizzazione, le sezioni di compressore 5A, 5B possono essere in parallelo.

[0027] Le sezioni di compressore e di turboespantore della turbomacchina 1 possono essere disposte secondo ulteriori possibili configurazioni, alcune delle quali sono descritte di seguito, con riferimento alle Figg.5 a 12. I componenti principali della turbomacchina 1 mostrata nelle Figg.5 a 12 sono contrassegnati con gli stessi numeri di riferimento usati in Fig.1. I vari componenti di macchina possono essere configurati come descritto sopra con riferimento alla Fig.1, se non differentemente specificato nella descrizione che segue.

[0028] In Fig.5 è mostrato uno schema di un’ulteriore configurazione di una turbomacchina 1, in cui le due sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in parallelo. Un flusso di gas da comprimere è suddiviso in due flussi parziali, che sono alimentati al lato di aspirazione delle due sezioni di compressore 5A, 5B attraverso un primo e un secondo ingresso di compressore 9A, 9B. Ciascuna sezione di compressore 5A, 5B è in accoppiamento di fluido con una rispettiva uscita di compressore 11A, 11B. Analogamente alle Figg.1 a 4, anche nella forma di realizzazione della Fig.5 le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in una configurazione fra cuscini, fra le due unità di supporto 25 e 27. I turboespantori sono disposti ai lati esterni della turbomacchina, con le rispettive giranti di turboespantore in una configurazione a sbalzo, come mostrato in dettaglio in Fig.1, supportate alle estremità libere dell'albero 23, che si estende oltre le unità di supporto 25, 27. Nello schema della Fig.5 le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in una configurazione contrapposta, cioè con i due lati di mandata (uscite di compressore 11A, 11B) delle sezioni di compressore 5A, 5B che si contrappongono l'una all'altra e sono disposte fra i lati di aspirazione (ingressi del compressore 9A, 9B) delle sezioni di compressore.

[0029] La Fig.6 illustra una configurazione che differisce da quella illustrata nella Fig.5 per quanto riguarda una disposizione di tenuta 40 disposta fra le due sezioni di compressore 5A, 5B. Le due sezioni di compressore 5A, 5B possono pertanto elaborare flussi gassosi differenti, che sono mantenuti separati l'uno dall'altro. In via esemplificativa, le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in una posizione invertita rispetto a quella della Fig.5, cioè i lati di aspirazione (ingressi di compressore 9A, 9B) sono fra loro affacciate, mentre i lati di mandata (uscite di compressore 11A, 11B) sono rivolte da parti opposte. Le sezioni di compressore 5A, 5B sono ancora disposte in una configurazione tra cuscini, mentre gli espantori 13, 15 sono a sbalzo, con le rispettive giranti supportate dalle estremità dell'albero che sporgono a sbalzo oltre le rispettive unità di supporto 25, 27.

[0030] Continuando a riferirsi alle Figg.1 a 6, un’ulteriore configurazione della turbomacchina secondo la presente descrizione è mostrata in Fig.7. Gli stessi numeri di riferimento designano parti uguali o equivalenti a quelle già descritte sopra. La turbomacchina 1 della Fig.7 comprende due sezioni di compressore 5A, 5B che possono essere disposte contrapposte o affacciate e fra cuscini. La Fig.7 illustra una configurazione faccia a faccia, ma le sezioni di compressore potrebbero essere disposte contrapposte come mostrato in Fig.5, con o senza una disposizione di tenuta intermedia 40. Nella configurazione della Fig.7 le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in serie. Il flusso di gas da elaborare per mezzo del compressore 5 viene aspirato dalla prima sezione di compressore 5A attraverso il primo ingresso di compressore 9A e viene alimentato attraverso la prima uscita di compressore 11A. Nella forma esemplificativa di Fig.7, la prima uscita di compressore 11A è in accoppiamento di fluido con il secondo ingresso di compressore 9B attraverso un inter-refrigeratore, ancora indicato con 12. Gas alla pressione finale è alimentato attraverso la seconda uscita di compressore 11B. Il primo e il secondo turbocompressore 13, 15 possono essere disposti in una configurazione a sbalzo, con le rispettive giranti di turbocompressore supportate in una disposizione a sbalzo alle estremità dell'albero 23, che sporgono a sbalzo dalle disposizioni di supporto 25, 27. I due turboespantori 13, 15 possono essere disposti in serie, con il che lo scarico del primo turboespantore 13 è in accoppiamento di fluido con il secondo turboespantore 15, così che il flusso di gas compresso viene espanso sequenzialmente in due fasi.

[0031] La Fig.8 illustra la stessa disposizione della Fig.7, ma con turboespantori 13, 15 in una configurazione parallela.

[0032] Nelle forme di realizzazione sopra descritte i turboespantori sono disposti sui lati della turbomacchina 1 e le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte fra cuscini in una porzione intermedia della turbomacchina . Questa configurazione è particolarmente vantaggiosa sia in termini di accessibilità ai componenti dei turboespantori, sia anche in termini di efficienza fluidodinamica. Di fatto, da un lato l'accessibilità alle giranti di turboespantore 19, 21 è facilitata. Inoltre, i vani di guida di ingresso variabili 13.5 e 15.5 e rispettivi attuatori sono più facilmente accessibili. Dall'altra parte, poiché le giranti di turboespantore 19, 21 sono usualmente giranti centripete, il flusso in uscita del gas esausto (espanso) è reso più facile se è disponibile spazio libero assialmente sullo scarico della girante. Non sono richiesti diffusori addizionali per deviare la direzione del flusso. Le perdite del fluido dinamico sono minimizzate.

[0033] Tuttavia, in forme di realizzazione, attualmente meno preferite, non viene esclusa una differente disposizione dei turboespantori e delle sezioni di compressore. Continuando a riferirsi alla Fig.1, in Fig.9 è mostrata una forma di realizzazione, in cui le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte alle estremità terminali della turbomacchina 1, mentre i turboespantori 13, 15 sono disposti in una configurazione tra cuscini, nell'area centrale della turbomacchina 1, tra le sezioni di compressore 5A, 5B. Il gas elaborato dalle sezioni di compressore 5A, 5B entra nella turbomacchina 1 attraverso un primo ingresso di compressore 9A ed è parzialmente compresso dalla prima sezione di compressore 5A, che alimenta gas parzialmente compresso attraverso una prima uscita di compressore 11A verso un secondo ingresso di compressore 9B. Il gas che entra nel secondo ingresso di compressore 9B è ulteriormente compresso dalla seconda sezione di compressore 5B e alimentato attraverso la seconda uscita di compressore 11B. Un inter-refrigeratore 12 può essere previsto fra la prima uscita di compressore 11A e il secondo ingresso di compressore 9B, per rimuovere calore dal gas parzialmente compresso prima che quest'ultimo sia ulteriormente compresso nella seconda sezione di compressore 5B.

[0034] Le giranti di compressore 7A, 7B possono essere supportate in una configurazione a sbalzo alle estremità dell'albero 23, che sporgono a sbalzo oltre la prima e la seconda unità di supporto 25, 27.

[0035] Le giranti di turboespantore 19, 21 possono essere supportate in una configurazione tra cuscini nella porzione centrale dell'albero 23, fra le unità di supporto 25, 27. I due turboespantori 13, 15 possono essere disposti in serie o in parallelo, come descritto sopra con riferimento alle Figg.1 a 8.

[0036] Continuando a riferirsi alle Figg.1 a 9 un’ulteriore forma di realizzazione è mostrata in Fig.10. La turbomacchina 1 della Fig.10 comprende ancora un primo e un secondo turboespantore 13, 15, una prima e una seconda sezione di compressore 5A, 5B e un albero comune 23, supportato girevolmente nella disposizione di alloggiamento 3 (non mostrata in Fig.10). L'albero 23 può essere un albero impilato come descritto sopra in riferimento alla Fig.1. Tale configurazione impilata può essere vantaggiosa anche nelle forme di realizzazione delle Figg.2 a 9.

[0037] Differentemente dalle Figg.1 a 9, in Fig.10 entrambe le giranti di compressore 7A, 7B nonché le giranti di turboespantore 19, 21 sono in una disposizione fra cuscini, poiché entrambe le sezioni di compressore 5A, 5B, nonché i turboespantori 13, 15 sono disposti fra le unità di supporto 25, 27.

[0038] L'accoppiamento di fluido fra le sezioni di compressore 5A, 5B può essere tale che le sezioni di compressore 5A, 5B siano disposte in serie o in parallelo. Inoltre, mentre nello schema della Fig.10 le sezioni di compressore 5A, 5B sono mostrate in una configurazione in linea, in altre forme di realizzazione le sezioni di compressore 5A, 5B possono essere disposte in configurazione contrapposta o affacciata, come mostrato ad esempio nella Fig.5 o 6. L'una o l'altra delle varie configurazioni può essere preferita, in funzione di differenti fattori. In particolare, una configurazione contrapposta o affacciata può essere più favorevole in termini di bilanciamento della spinta, poiché le spinte assiali generate durante il funzionamento dalle due giranti di compressore sull'albero 23 sono orientate in versi opposti e sono pertanto almeno parzialmente bilanciate. Una configurazione in linea può essere più vantaggiosa in termini di semplificazione dei passaggi di flusso, come può essere compreso dalla Fig.1. Se non è richiesta un’inter-refrigerazione, una configurazione in linea può evitare la necessità di condotti di ingresso e di uscita doppi attraverso la cassa.

[0039] Mentre nella Fig.10 le sezioni di compressore 5A, 5B sono adiacenti l'una all'altra, e analogamente i turboespantori 13, 15 sono disposti in una configurazione contrapposta l'uno adiacentemente all'altro, sono possibili differenti disposizioni, con le sezioni di compressore e i turboespantori disposti in una configurazione intercalata, cioè con una sezione di compressore disposta fra due turboespantori. Inoltre, i turboespantori possono essere disposti in una configurazione in linea anziché in una configurazione contrapposta.

[0040] Continuando a riferirsi alle Figg. 1 a 10, la Fig.11 illustra ancora un’ulteriore forma di realizzazione della turbomacchina 1. In questa forma di realizzazione, il secondo turboespantore 15 e la prima sezione di compressore 5A sono disposti in una configurazione tra cuscini fra le unità di supporto 25, 27. Il primo turboespantore 13 è disposto in una configurazione a sbalzo su una estremità dell'albero 23 che sporge a sbalzo oltre l'unità di supporto 25, mentre la seconda sezione di compressore 5B è disposta in una configurazione a sbalzo sull'altra estremità dell'albero 23 che sporge a sbalzo oltre l'unità di supporto 27. In via esemplificativa, i due turboespantori 13, 15 sono disposti in serie. In altre forme di realizzazione, i turboespantori 13, 15 possono essere disposti in parallelo. Le sezioni di compressore 5A, 5B possono essere in parallelo o in serie, con o senza inter-refrigerazione.

[0041] Infine, continuando a riferirsi alle Figg.1 a 11, ancora un’ulteriore forma di realizzazione della turbomacchina 1 secondo la presente descrizione è mostrata in Fig.12. La forma di realizzazione della Fig.13 differisce dalla forma di realizzazione della Fig.11 principalmente per il fatto che i turboespantori 13, 15 sono disposti in parallelo. Le sezioni di compressore 5A, 5B sono disposte in serie con un interrefrigeratore 12 fra di esse.

[0042] In tutte le forme di realizzazione qui descritte l'albero può essere supportato da due cuscini radiali e uno o due cuscini reggispinta. In particolare, se sono previsti due cuscini reggispinta, possono essere usati cosiddetti semi-cuscini reggispinta ciascuno dei quali supporta una spinta assiale soltanto in un verso. In alcune forme di realizzazione, quindi, possono essere previste due unità di supporto. Ciascuna unità di supporto ha una funzione di supporto radiale e entrambe hanno anche una funzione di supporto assiale (supporto reggispinta), ciascuna tuttavia soltanto in un verso. In altre forme di realizzazione, ciascuna unità di supporto ha una funzione di supporto radiale e solo una di essa ha una funzione di supporto reggispinta (assiale) in entrambi i versi.

[0043] In forme di realizzazione preferite, ciascuna unità di supporto può comprendere uno o più cuscini magnetici attivi.

[0044] Mentre l'invenzione è stata descritta in termini di varie specifiche forme realizzative, sarà chiaro agli esperti del ramo che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire dallo spirito e dall'ambito delle rivendicazioni. Inoltre, se non diversamente indicato, l’ordine o sequenza di qualunque fase di processo o metodo può essere variata o ri-arrangiata secondo forme di realizzazione alternative. Specificamente, in ciascuna delle configurazioni sopra descritte le due sezioni di compressore possono essere disposte in serie o in parallelo, se non diversamente specificato. Inoltre, i due turboespantori possono essere disposti alternativamente in serie o in parallelo, se non diversamente specificato.

Claims

CONFIGURAZIONE DI TURBOMACCHINA COMPRESSORE-ESPANTORE MULTISTADIO RIVENDICAZIONI 1. Una turbomacchina comprendente: una disposizione di alloggiamento; un albero supportato per ruotare nella disposizione di alloggiamento; almeno una prima unità di supporto e una seconda unità di supporto atte a supportare girevolmente l'albero nella disposizione di alloggiamento; una prima sezione di compressore e una seconda sezione di compressore in detta disposizione di alloggiamento, la prima sezione di compressore comprendendo almeno una prima girante montata su detto albero per ruotare con esso, e la seconda sezione di compressore comprendendo almeno una seconda girante di compressore montata su detto albero per ruotare con esso; e un primo turboespantore e un secondo turboespantore montati sull'albero per ruotare con esso in detta disposizione di alloggiamento, atti a generare potenza meccanica espandendo un flusso gassoso attraverso di essi e ad azionare la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore.
2. La turbomacchina della rivendicazione 1, in cui il primo turboespantore e il secondo turboespantore sono atti a generare l'intera potenza meccanica richiesta per azionare la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore.
3. La turbomacchina della rivendicazione 1 o 2, in cui il primo turboespantore è posizionato in una configurazione a sbalzo ad una prima estremità dell'albero.
4. La turbomacchina della rivendicazione 3, in cui il secondo turboespantore è posizionato in una configurazione a sbalzo ad una seconda estremità dell'albero.
5. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore sono disposte in una configurazione tra cuscini, tra la prima unità di supporto e la seconda unità di supporto.
6. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto albero è un albero impilato.
7. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo turboespantore è un turboespantore centripeto.
8. La turbomacchina della rivendicazione 7, in cui il secondo turboespantore è un turboespantore centripeto.
9. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo turboespantore e il secondo turboespantore sono disposti in serie, un’uscita di uno di detti primo turboespantore e secondo turboespantore essendo in accoppiamento di fluido con un ingresso dell'altro di detti primo turboespantore e secondo turboespantore, così che durante il funzionamento un flusso gassoso viene inizialmente parzialmente espanso in uno di detti primo turboespantore e secondo turboespantore e sequenzialmente ulteriormente espanso nell'altro di detti primo turboespantore e secondo turboespantore.
10. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 8, in cui il primo turboespantore e il secondo turboespantore sono disposti in parallelo, così che durante il funzionamento un flusso di gas compresso viene suddiviso e alimentato parzialmente al primo turboespantore e parzialmente al secondo turboespantore per essere espanso in essi.
11. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore sono disposte in serie.
12. La turbomacchina della rivendicazione 11, in cui un interrefrigeratore è disposto fra la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore.
13. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 10, in cui la prima sezione di compressore e la seconda sezione di compressore sono disposte in parallelo.
14. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'albero è alloggiato a tenuta nella disposizione di alloggiamento.
15. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la disposizione di alloggiamento comprende compartimenti di alloggiamento separati per ciascuno di detti primo turboespantore, secondo turboespantore, prima sezione di compressore e seconda sezione di compressore, i compartimenti di alloggiamento essendo separati l'uno dall'altro da disposizione di tenuta lungo l'albero.
16. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una di dette prima unità di supporto e seconda unità di supporto comprende un cuscino magnetico attivo.
17. La turbomacchina di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuna di dette prima unità di supporto e seconda unità di supporto comprende un rispettivo primo semi-cuscino reggispinta.