ITCO20120020A1

ITCO20120020A1 - Compressore, alimentazione del gas di tenuta e metodo

Info

Publication number: ITCO20120020A1
Application number: IT000020A
Authority: IT
Inventors: Leonardo Baldassarre; Andrea Bernocchi
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-10-28
Also published as: CN104395653B; WO2013160416A1; EP2841825B1; RU2611136C2; US20150118018A1; CA2870624A1; JP6266595B2; RU2014141999A; KR20150020274A; JP2015520317A; AU2013254655A1; EP2841825A1; MX2014012988A; CN104395653A

Description

TITLE / TITOLO :

COMPRESSOR, SEAL GAS DELIVERY, AND METHOD / COMPRESSORE, ALIMENTAZIONE DEL GAS DI TENUTA E METODO

ARTE NOTA CAMPO TECNICO

Le realizzazioni dell'oggetto di cui al presente documento riguardano in genere le turbomacchine e, nello specifico, l'alimentazione del gas di tenuta per la tenuta di testata del compressore.

TRATTAZIONE DELL'ARTE NOTA

Un compressore è una macchina che accelera le particelle di un fluido di processo per aumentare, in ultima analisi, la pressione di tale fluido di processo, ad esempio un gas, utilizzando l'energia meccanica. I compressori vengono comunemente utilizzati nel settore energetico per produrre, trattare, reiniettare e trasportare numerosi tipi di gas. Tra i vari tipi di compressori vi sono i cosiddetti compressori centrifughi, nei quali l'energia meccanica agisce sul fluido di processo in ingresso nel compressore per mezzo dell'accelerazione centrifuga, ad esempio attraverso la rotazione di una girante centrifuga attraverso cui passa il fluido di processo. Più in generale è possibile annoverare i compressori centrifughi all'interno della classe delle "turbomacchine" o "macchine turborotanti".

Molte turbomacchine e, in particolare, i compressori centrifughi prevedono l'uso di tenute di testata dell'albero in cui il gas di tenuta può essere iniettato, per migliorare ad esempio il rendimento della tenuta creando una barriera contro le fuoriuscite del gas di processo. Molti compressori sono oggi dotati di una o più tenute a gas secco su una o entrambe le testate del compressore, al fine di migliorare il rendimento della macchina e di ridurre le fuoriuscite del fluido di processo. Ad esempio, come mostrato nelle fìgg. 1 e 2, il compressore 10 può comprendere un albero rotore 20, disposto in modo da poter ruotare rispetto allo statore 12. La tenuta di testata dell'albero sotto forma di tenuta a gas secco, di norma indicata come 14 nella fig. 1 , può essere posizionata tra l'albero rotore 20 e lo statore 12. La tenuta a gas secco 14 può includere gli anelli del rotore per la tenuta primaria e secondaria 26 e gli anelli dello statore per la tenuta primaria e secondaria 28, ciascuno dei quali è orientato verso il rispettivo anello del rotore per la tenuta primaria e secondaria 26. Durante il funzionamento del compressore 10, le scanalature (non mostrate) negli anelli di tenuta del rotore a gas secco 26 e gli anelli di tenuta dello statore 28 possono generare una forza dinamica del fluido per creare un "divario intercorrente" che garantisce la funzione di tenuta senza il contatto tra gli anelli di tenuta.

Un gas di tenuta, di norma un gas di processo filtrato, può essere rilasciato nella tenuta a gas secco per il supporto del "divario intercorrente", migliorando così il rendimento del compressore 10. Come mostrato alle figg. 1 e 2, l'alimentazione del gas di tenuta può avvenire mediante l'apertura 30 nello statore 12.

Durante il funzionamento del compressore 10, il calore generato dal processo di compressione e da altri processi a cui è spesso sottoposto il gas di processo genera una considerevole quantità di calore che può essere assorbita mediante il gas (di processo) di tenuta. Inoltre, il gas di tenuta può altresì essere riscaldato mediante un dispositivo ad hoc, ad esempio un riscaldatore o scambiatore di calore, per favorire la prevenzione o rimozione della condensa che potrebbe formarsi prima o durante l'espansione del gas di tenuta all'interno della tenuta a gas secco. Di conseguenza, il gas di tenuta che entra nella tenuta a gas secco attraverso la porta 30 può presentare una temperatura elevata, rispetto ad esempio all'aria in ambiente e/o al gas già presente all'interno della tenuta a gas secco 14.

Durante l'arresto temporaneo del compressore, tale gas di tenuta caldo può continuare ad essere rilasciato nella tenuta a gas secco. Inoltre, la temperatura del gas di tenuta può altresì aumentare durante un arresto temporaneo del compressore a causa dell'assorbimento del calore residuo, ad esempio da componenti fisse del compressore.

Il calore all'interno del gas di tenuta continuamente fornito al compressore durante l'arresto temporaneo può far sì che una o più regioni sull'albero 20 in prossimità della tenuta a gas secco 14 risultino riscaldate in modo non uniforme, ovvero una o più regioni dell'albero rotore 20 possono sviluppare un differenziale di temperatura rispetto alle regioni circostanti dell'albero rotore 20. Questi cosiddetti "hotspot" possono risultare potenzialmente problematici. Ad esempio, il gas di tenuta che entra nella tenuta a gas secco attraverso la porta 30 può urtare contro un componente della tenuta a gas secco adiacente all'albero rotore del compressore, o peggio, direttamente contro la superficie dello stesso albero rotore. In base a determinati fattori, quali il tasso di trasferimento del calore attraverso i componenti della tenuta a gas secco adiacente all'albero rotore, il tasso del flusso di gas di tenuta, la temperatura del gas di tenuta, ecc., uno o più di tali hospot possono causare una deformazione, ad esempio la curvatura, piegamento ecc... dell'albero rotore. Durante il successivo avvio del compressore, la vibrazione del gruppo rotante può essere la diretta conseguenza di tale deformazione. La vibrazione può avere una potenza sufficiente tale da rendere il compressore vulnerabile ai danni, in particolare quando il compressore raggiunge la prima velocità critica. Tale vibrazione può necessitare di uno o più ulteriori arresti temporanei e conseguenti riavvii per consentire la dissipazione del calore non uniforme sul gruppo rotante e per il risanamento della deformazione. Nei casi più gravi o in presenza di un danno correlato alla vibrazione del compressore, può essere necessario l'arresto totale.

Pertanto, è necessario un compressore e, in particolare, un sistema di alimentazione del gas di tenuta che distribuisca in modo uniforme il calore del gas di tenuta all'interno della tenuta di testata, consentendo un più facile riavvio del compressore dopo un arresto temporaneo, evitando in tal modo urti localizzati del gas di tenuta caldo contro l'albero rotore del compressore, così da evitare la deformazione termica dell'albero rotore e per ottenere una soluzione di adeguamento facile, dai costi contenuti, che preservi la modalità di funzionamento esistente, il peso, la configurazione di un compressore e della tenuta a gas secco e che offra un'alternativa alla distribuzione del calore interessata dalla rotazione dell'albero del compressore.

RIEPILOGO

Secondo una realizzazione esemplificativa, il sistema di alimentazione del gas di tenuta per una tenuta di testata su un albero rotore di turbomacchina comprende un passaggio del gas di tenuta per il rilascio del gas di tenuta alla tenuta di testata e un distributore del gas di tenuta per la ricezione di almeno una porzione del gas di tenuta dal passaggio del gas di tenuta; il distributore del gas di tenuta presenta una pluralità di fori per la distribuzione del gas di tenuta attorno all'albero rotore durante la fase di arresto della turbomacchina, al fine di indurre una turbolenza nel gas di tenuta attorno all'albero da parte del distributore.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, la turbomacchina comprende uno statore, un albero rotore ruotabile rispetto allo statore, una tenuta di testata posizionata tra lo statore e il rotore, un passaggio del gas di tenuta per il rilascio del gas di tenuta alla tenuta della testata, un distributore del gas di tenuta per ricevere almeno una porzione del gas di tenuta dal passaggio del gas di tenuta e la distribuzione del gas di tenuta attorno all'albero rotore durante la fase di arresto, al fine di indurre una turbolenza nel gas di tenuta attorno all'albero in base all'orientamento dei fori della tenuta.

Un metodo di funzionamento della turbomacchina comprendente una tenuta di testata su un relativo albero rotore può comprendere le fasi di alimentazione del gas di tenuta alla tenuta della testata durante la fase di arresto della turbomacchina, nonché la distribuzione del gas di tenuta attorno all'albero rotore per evitare la non uniforme distribuzione del calore sull'albero rotore.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

I disegni tecnici allegati alla descrizione dettagliata, e di cui costituiscono parte integrante, rappresentano una o più forme di realizzazione e, unitamente alla descrizione, spiegano tali forme di realizzazione. Nei disegni:

La figura 1 è una vista parziale in sezione trasversale del compressore.

La figura 2 è uno spaccato prospettico del compressore mostrato in Fig. 1 .

La figura 3 è una vista trasversale parziale di un compressore secondo una realizzazione esemplificativa.

La figura 4 è una vista parziale prospettica del distributore del compressore mostrato in fig. 3.

La figura 5 è una vista trasversale parziale di un compressore secondo un'altra realizzazione esemplificativa.

La figura 6 è una vista parziale prospettica del distributore del compressore mostrato in fig. 5.

La figura 7 mostra il metodo secondo una realizzazione esemplificativa.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

La seguente descrizione delle forme di realizzazione esemplificative fa riferimento ai disegni tecnici allegati. Numeri di riferimento uguali, ricorrenti in disegni diversi, rappresentano elementi simili o identici. La seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni incluse. Le seguenti realizzazioni sono trattate, per ragioni di semplicità, in relazione alla terminologia e struttura di sistemi a turbomacchine. Tuttavia le forme di realizzazione che saranno successivamente trattate non si limitano a questi sistemi esemplificativi, ma si possono applicare ad altri sistemi.

In tutta la descrizione dettagliata, il riferimento a "una forma di realizzazione" indica che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione è inclusa in almeno una realizzazione dell'oggetto divulgato. Pertanto, l'utilizzo dell'espressione "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o proprietà possono essere combinate in una o più realizzazioni in qualsivoglia modalità appropriata.

Le figure 3 e 4 illustrano una realizzazione esemplificativa di un sistema di alimentazione del gas di tenuta secondo la presente invenzione. All'interno di esso, il compressore 110 comprende uno statore 112 con un passaggio per il gas di tenuta 122 che si estende attraverso lo statore 112 verso la tenuta del gas secco 114. L'alimentazione del gas di tenuta può avvenire mediante una porta primaria 154 nello statore 112 per la tenuta a gas secco 114.

Il compressore 110 include altresì una tenuta a labirinto 158 adiacente alla tenuta a gas secco 114. Come mostrato in figura 3, la tenuta a labirinto 158 è dotata di un distributore 140 avente la forma di una porzione di anello che si estende dalla tenuta a labirinto 158. Il distributore 140 è dotato di una ampia gamma di fori di iniezione del gas 160.

Durante una fase temporanea di arresto o di inattività del compressore 110, il gas di tenuta può essere comunque rilasciato nella tenuta del gas secco 114, come precedentemente illustrato. Almeno una porzione del gas di tenuta può essere raccolta dal distributore 140 e rilasciata attorno alla circonferenza dell'albero rotore 120 attraverso ciascuno della pluralità di fori di iniezione del gas di tenuta 160. Tale azione può favorire una distribuzione omogenea del gas di tenuta attorno all'albero, con o senza movimento turbolento, con la conseguente inibizione del calore localizzato in corrispondenza dell'albero rotore 120.

Inoltre, il distributore 140 può altresì evitare che le porte di uscita del gas di tenuta 154 urtino direttamente contro l'albero rotore 120. Ad esempio, come mostrato in figura 3, la tenuta a labirinto 158 e la tenuta a gas secco 114 determinano una camera 156 in cui la superficie dei turboalbero 120 è direttamente esposta al gas di tenuta. Poiché il distributore 140 è ubicato tra l'albero rotore 120 e il sistema di scarico 130, l'urto diretto di gas di tenuta potenzialmente caldo contro tale superficie risulta inibito o evitato.

Come è altresì possibile desumere dalla figura 4, i fori di iniezione del gas 160 possono altresì essere configurati per ottenere una turbolenza circonferenziale del gas di tenuta all'interno della camera 156 in modo da favorire ulteriormente la circolazione del gas nonché la distribuzione uniforme del calore attorno all'albero 120. Come mostrato in figura 4, ciascun foro di iniezione del gas 160 può definire un asse 164 ad un angolo 168 con linea radiale 166, che si estende dall'asse longitudinale dell'albero rotore 120 attraverso il centro del foro di iniezione del gas 160. In alternativa, l'angolo 168 può variare tra i fori 160 del distributore 140 per indurre, ad esempio, un maggiore grado di turbolenza finalizzato a ottenere un riscaldamento uniforme dell'albero 120 all'interno della camera 156.

Le figure 5 e 6 mostrano un'altra realizzazione esemplificativa, in essa, il sistema di alimentazione dei gas comprende un passaggio del gas di tenuta 222 che si estende attraverso lo statore 212 in direzione della porta 254. La porta di uscita del gas di tenuta 254 consente l'accesso a una scanalatura 255 nello statore 212.

Il distributore sotto forma di segmento ad arco o di cilindro completo 240 con testate 278 è disposto in prossimità al sistema di scarico 254 all'interno della scanalatura 255. Il distributore 240 può essere fissato nella scanalatura 255 in modo meccanico, ad esempio mediante un dispositivo di frizione o di fissaggio, oppure in modo chimico, ad esempio mediante un adesivo o saldatura. Nelle forme di realizzazione delle figg. 5 e 6, il punto medio del distributore 240 può essere posizionato tra il sistema di scarico 254 e l'albero rotore del compressore 210 per la ricezione del gas di tenuta in uscita dal sistema di scarico 254. Il gas di tenuta in uscita dal sistema di scarico 254 può venire inizialmente deviato e quindi direzionato lungo la scanalatura 255, per esempio in senso orario e in senso antiorario. Il gas di tenuta può altresì passare attraverso uno qualsiasi dei fori 276. In tal modo, il gas di tenuta può venire distribuito attorno all'albero rotore del compressore 210, con la conseguente possibile inibizione o prevenzione dalla formazione di una area a temperatura elevata localizzata o vicino all'albero rotore durante un arresto temporaneo del compressore 210. Il distributore 240 può essere in dotazione all'interno della scanalatura 255 come parte del processo di produzione del compressore 210, ovvero come dispositivo originale; in alternativa, il distributore 240 può essere fornito come prodotto aftermarket introdotto nella scanalatura 255 durante una procedura di adeguamento. Nelle forme di realizzazione illustrate nelle figg. 5 e 6, il distributore 240 viene mostrato come segmento ad arco dotato di una pluralità di fori 260. Tuttavia, il distributore 240 può essere altresì fornito in altre configurazioni. Ad esempio, il distributore 240 può essere fornito senza fori 276, in modo che l'interezza del gas di tenuta ricevuto dal distributore 240 venga deviata lungo la scanalatura 255. Secondo un altro esempio, il distributore 240 può essere fornito in configurazione di anello completo o come una serie di segmenti di anello. La dimensione e la configurazione dei fori 260 nel distributore 240 può altresì variare. Ad esempio, laddove il distributore 240 sia dotato di una serie di segmenti di anello, lo spazio tra ciascun segmento può definire una pluralità di fori attraverso cui il flusso del gas di tenuta può venire controllato.

Pertanto, secondo una realizzazione esemplificativa come mostrato nel diagramma di flusso in figura 7, il metodo (1000) di funzionamento della turbomacchina comprendente una tenuta di testata su un albero rotore relativo può comprendere le fasi di alimentazione (1002) del gas di tenuta alla tenuta della testata durante la fase di arresto della turbomacchina, nonché la distribuzione (1004) del gas di tenuta attorno all'albero rotore per evitare una non uniforme distribuzione del calore sull'albero rotore.

Nonostante il distributore del gas di tenuta sia stato descritto quale componente del compressore, il distributore del gas di tenuta in conformità alla presente invenzione può altresì essere fornito come componente della stessa tenuta di testata. Ad esempio, un esperto del settore noterà che il sistema di alimentazione del gas di tenuta può essere configurato in modo che il distributore risulti incorporato nella cartuccia di tenuta del gas secco.

Le forme di realizzazione precedentemente descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, la presente invenzione. Tutte le siffatte variazioni e modifiche devono essere considerate entro lo scopo di applicazione e lo spirito della presente invenzione, come definite nelle seguenti rivendicazioni. Nessun elemento, atto o nessuna istruzione adottati nella descrizione della presente applicazione dovranno essere interpretati come cruciali o fondamentali per l'invenzione, se non sono esplicitamente descritti come tali. Inoltre nell'accezione del presente è sottinteso che la forma singolare di un'espressione designa altresì il plurale.

Claims

CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di alimentazione del gas di tenuta per la tenuta di testata sull'albero rotore della turbomacchina, in cui tale sistema di alimentazione del gas di tenuta comprende: un passaggio del gas di tenuta per il rilascio del gas di tenuta a detta tenuta di testata; un distributore del gas di tenuta per la ricezione di almeno una porzione di tale gas di tenuta da tale passaggio del gas di tenuta, laddove tale distributore del gas di tenuta presenta una pluralità di fori per la distribuzione di tale gas di tenuta attorno a tale albero rotore durante la fase di arresto della turbomacchina. 2. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 1 , in cui tale pluralità di fori risulta distribuita rispetto alla superficie circonferenziale di tale albero rotore. 3. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 2, in cui tale pluralità di fori risulta distribuita rispetto alla superficie longitudinale di tale albero rotore. 4. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 1, in cui ciascuna di tale pluralità di fori definisce un asse e tale asse corrisponde ad un angolo non zero rispetto alla linea radiale che si estende da un'asse longitudinale di tale albero rotore attraverso un centro di ciascuna di tale pluralità di fori. 5. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 4, in cui la tenuta a labirinto è disposta in modo adiacente a detta tenuta di testata e detto distributore comprende una porzione ad anello che si estende da detta tenuta del labirinto. 6. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 3, in cui tale distributore del gas di tenuta comprende un segmento ad arco o un cilindro completo. 7. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 3, in cui tale distributore del gas di tenuta comprende un anello. 8. Il sistema di alimentazione del gas di tenuta di cui alla rivendicazione 1 , in cui tale tenuta dell'estremità è una tenuta a gas secco. 9. Una turbomacchina, comprendente: uno statore; un albero rotore ruotabile rispetto a tale statore; una tenuta dell'estremità tra detto statore e detto rotore; un passaggio del gas di tenuta per il rilascio del gas di tenuta a detta tenuta di testata; un distributore del gas di tenuta per la ricezione di almeno una porzione di detto gas di tenuta da tale passaggio del gas di tenuta e per la distribuzione di detto gas di tenuta attorno a detto albero rotore durante la fase di arresto della turbomacchina. 10. Un metodo di funzionamento della turbomacchina comprendente una tenuta di testata su un relativo albero rotore, in cui tale metodo comprende: alimentazione del gas di tenuta a detta tenuta di testata durante la fase di arresto della turbomacchina; distribuzione di tale gas di tenuta attorno a detto albero rotore per evitare il riscaldamento non uniforme di tale albero rotore. (ADR/Pa) CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1 . A seal gas delivery system for an end seal on a turbo machine rotor shaft, said seal gas delivery system comprising: a seal gas passageway for delivering a seal gas to said end seal; a seal gas distributor for receiving at least a portion of said seal gas from said seal gas passageway, said seal gas distributor having a plurality of holes for distributing said seal gas about said rotor shaft during turbo machine standstill.
2. The seal gas delivery system of claim 1 wherein said plurality of holes are spaced apart relative to a circumferential surface of said rotor shaft.
3. The seal gas delivery system of claim 2 wherein said plurality of holes are spaced apart relative to a longitudinal surface of said rotor shaft.
4. The seal gas delivery system of claim 1 wherein each of said plurality of holes defines an axis and said axis is at a non-zero angle relative to a radial line extending from a longitudinal axis of said rotor shaft through a center of said each of said plurality of holes.
5. The seal gas delivery system of claim 4 wherein a labyrinth seal is disposed proximately of said end seal and said distributor comprises a ring portion extending from said labyrinth seal.
6. The seal gas delivery system of claim 3 wherein said seal gas distributor comprises an arc segment or full cylinder
7. The seal gas delivery system of claim 3 wherein said seal gas distributor comprises a ring.
8. The seal gas delivery system of claim 1 wherein said end seal is a dry gas seal.
9. A turbo machine, comprising: a stator; a rotor shaft rotatable relative to said stator; an end seal disposed between said stator and said rotor; a seal gas passageway for delivering a seal gas to said end seal; and a seal gas distributor for receiving at least a portion of said seal gas from said seal gas passageway and distributing said seal gas about said rotor shaft during turbo machine standstill.
10. A method of operating a turbo machine including an end seal on a rotor shaft thereof, said method comprising: delivering a seal gas to said end seal during turbo machine standstill; and distributing said seal gas about said rotor shaft to prevent uneven heating of said rotor shaft.