ITUB20152676A1

ITUB20152676A1 - Disposizione di raffreddamento di tenute a gas secco e metodo

Info

Publication number: ITUB20152676A1
Application number: ITUB2015A002676A
Authority: IT
Inventors: Leonardo Baldassarre; Emanuele Rizzo; Andrea Cianti; Simone Amidei
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl; Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2017-01-30
Also published as: JP6859315B2; US20190003481A1; EP3329128A1; JP2018525561A; EP3329128B1; CN108138794A; WO2017017227A1; US10677255B2; KR102562570B1; KR20180051504A; CN108138794B

Description

"DISPOSIZIONE DI RAFFREDDAMENTO DI TENUTE A GAS SECCO E METODO"

Descrizione

Campo deH'invenzione

La descrizione riguarda in generale disposizioni di tenuta per alberi. Forme di realizzazione qui descritte specificamente riguardano disposizioni di tenuta per alberi ruotanti di turbomacchine, che comprendono almeno una tenuta a gas secco. La descrizione inoltre riguarda sistemi comprendenti una turbo macchina con un albero ruotante ed una disposizione di tenuta di albero che comprende una tenuta a gas secco, nonché metodi per il raffreddamento di tenuta di albero.

Arte anteriore

Alberi ruotanti di turbo macchina sono usualmente supportati per mezzo di cuscinetti in una cassa fissa. Tenute sono previste per evitare il trafilamento di fluido di lavoro da un lato ad alta pressione ad un lato a bassa pressione dell'albero. Recentemente sono state sviluppate tenute a gas secco, che forniscono una tenuta migliorata contro trafilamenti di fluido lungo l'albero ruotante.

Tenute a gas secco sono usate sempre più come tenute di albero in turbomacchine, ad esempio in compressori centrifughi, poiché esse offrono molti vantaggi rispetto ad altre disposizioni di tenuta. Tenute a gas secco come intese in questo contesto sono tenute di albero che hanno almeno due elementi di tenuta, qui di seguito indicati come anelli di tenuta, che si estendono attorno all'albero in una direzione circonferenziale, cioè attorno all’asse di rotazione dell'albero. Un anello di tenuta è montato per ruotare insieme all’albero, mentre l'altro anello di tenuta è montato stazionario nella cassa. Ciascun anello di tenuta comprende una rispettiva superficie di tenuta rivolta verso l'opposto anello di tenuta. L'anello di tenuta stazionario e l'anello di tenuta ruotante sono sollecitati elasticamente l'uno contro l'altro e cooperano in corrispondenza di loro superfici di tenuta. Un gas secco pressurizzato viene alimentato fra le superfici di tenuta, cosicché si ottiene un effetto di tenuta senza contatto fra superfici di tenuta opposte degli anelli di tenuta stazionario ruotante.

Tenute a gas secco sono tipicamente impiegate in compressori centrifughi. In alcune applicazioni, sono necessarie disposizioni di riscaldamento per impedire la condensazione di componenti ad alto peso molecolare del gas di tenuta, poiché le tenute a gas secco devono essere prive di liquido per funzionare correttamente. In altre forme di realizzazione sono state sviluppate disposizioni di rimozione di calore, allo scopo di prevenire un accumulo eccessivo di calore nelle tenute a gas secco. Tenute a gas secco raffreddate sono descritte ad esempio in US 8,814,508. Viene previsto uno scambiatore di calore che si sviluppa attorno all'anello di tenuta stazionario e all'anello di tenuta ruotante. Un liquido circola nello scambiatore di calore per rimuovere calore dalla tenuta a gas secco. Questa disposizione nota di tenuta a secco funziona in maniera soddisfacente, ma è in certa misura complessa ed ingombrante. Vi è pertanto ancora una necessità di migliorare disposizioni di tenuta per alberi comprendenti tenute a gas secco, per fornire disposizioni di tenuta efficienti, a basso costo e sicure, in particolare in quelle applicazioni dove può divenire importante la rimozione di calore dalla tenuta a gas secco.

Sommario delfinvenzione

Secondo un aspetto viene descritta una disposizione di tenuta d'albero per un albero ruotante di turbomacchina avente un asse di rotazione. La disposizione di tenuta d'albero può comprendere una parte ruotante che ruota durante il funzionamento ed una parte stazionaria. Secondo forme di realizzazione qui descritte, la disposizione di tenuta d'albero comprende una tenuta a gas secco. La tenuta a gas secco può a sua volta comprendere: almeno un elemento ruotante, ad esempio un anello ruotante, avente una superficie di tenuta ruotante e disposto per ruotare con la parte ruotante; ed almeno un elemento stazionario, ad esempio in forma di un anello ruotante, in una disposizione fissa rispetto alla parte stazionaria ed avente una superficie di tenuta stazionaria. La superficie di tenuta ruotante e la superficie di tenuta stazionaria sono sollecitate elasticamente l'una contro l'altra. Viene inoltre previsto un percorso di alimentazione di gas secco configurato per alimentare gas secco di tenuta fra la superficie di tenuta stazionaria e la superficie di tenuta ruotante. Inoltre la disposizione di tenuta dell'albero può ulteriormente comprendere almeno un volume di fluido di raffreddamento disposto per ricevere un fluido di raffreddamento ed in rapporto di scambio termico con la tenuta a gas secco, ed una disposizione di sfiato, configurata per scaricare collettivamente fluido di raffreddamento esausto e gas di tenuta secco dalla disposizione di tenuta d'albero.

Secondo un ulteriore aspetto, viene qui descritta una disposizione di turbomacchina comprendente una turbo macchina comprensiva di una cassa ed un albero disposto per ruotare nella cassa, su cui è montato un organo ruotante per ruotare insieme all'albero. Un fluido di lavoro viene elaborato attraverso la turbomacchina ed una disposizione di tenuta d'albero come sopra descritta può essere usata per prevenire trafilamenti di fluido di lavoro lungo l'albero. Una sorgente di fluido di raffreddamento, in accoppiamento di fluido con una disposizione di tenuta d'albero, alimenta ad essa fluido di raffreddamento.

In forme di realizzazione qui descritte, il fluido di raffreddamento è fluido di lavoro elaborato dalla turbomacchina, o un fluido compatibile con esso. Un fluido compatibile con il fluido di lavoro elaborato dalla turbomacchina è in termini generali un fluido che non influenza negativamente la sicurezza o il funzionamento della turbomacchina a breve termine oppure un fluido che non contamina il fluido di lavoro e che può eventualmente essere facilmente separato da esso.

Secondo ancora un ulteriore aspetto, viene descritto un sistema di conversione di potenza, comprendente un circuito di fluido di lavoro avente un lato di alta pressione ed un lato di bassa pressione e configurato per far fluire attraverso di esso un fluido di lavoro. Il sistema può inoltre comprendere un refrigeratore disposto e configurato per rimuovere calore dal fluido di lavoro nel lato a bassa pressione del circuito di fluido di lavoro ed una pompa o compressore, in accoppiamento di fluido con il circuito di fluido di lavoro fra il lato a bassa pressione ed il lato ad alta pressione di esso, configurata per aumentare la pressione del fluido di lavoro nel circuito del fluido di lavoro. Il sistema può inoltre comprendere uno scambiatore di calore configurato per circolare il fluido di lavoro in rapporto di scambio termico con un fluido caldo per vaporizzare il fluido di lavoro e un turbo-espantore in accoppiamento di fluido con il circuito di fluido di lavoro e disposto fra il lato di alta pressione ed il lato di bassa pressione di esso, configurato per espandere fluido di lavoro che fluisce attraverso di esso e generare con esso potenza meccanica. Il turbo-espantore comprende: una cassa; un albero disposto per ruotare nella cassa; una girante montata sull'albero per ruotare con esso; una disposizione di tenuta d'albero come sopra descritto, per cooperare a tenuta con l'albero del turbo- espantore.

Qui descritto vi è anche un metodo per raffreddare una disposizione di tenuta d'albero per un albero ruotante di una turbo macchina in accoppiamento di fluido con un circuito di fluido di lavoro, la disposizione di tenuta d'albero comprendendo una tenuta gas secco; il metodo comprendente le fasi di:

elaborare un fluido di lavoro attraverso la turbomacchina;

alimentare un gas di tenuta secco alla tenuta a gas secco;

alimentare un fluido di raffreddamento alla disposizione di tenuta d’albero; sfiatare collettivamente il fluido di raffreddamento esausto e gas di tenuta secco dalla disposizione di tenuta d’albero. Il fluido di raffreddamento ed il gas di tenuta sfiatati possono essere riportati al circuito di fluido di lavoro.

La turbomacchina può essere un turbo- espantore, attraverso cui il fluido di lavoro viene espanso da un'alta pressione ad una bassa pressione. D metodo può comprendere inoltre le fasi di:

raffreddare il fluido di lavoro espanso proveniente dal turbo- espantore; aumentare la pressione del fluido di lavoro raffreddato dalla bassa pressione all’alta pressione;

riscaldare e vaporizzare il fluido compresso;

alimentare il fluido di lavoro vaporizzato al turbo-espantore;

derivare un flusso laterale di fluido di lavoro verso la disposizione di tenuta d'albero;

ritornare il fluido di raffreddamento esausto ed il gas di tenuta secco dalla disposizione di tenuta d'albero al circuito.

Il fluido di lavoro vaporizzato può essere eventualmente fluido surriscaldato.

Breve descrizione dei disegni

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

Fig.l illustra uno schema di un sistema di potenza che comprende un turboespantore, che può impiegare una disposizione di tenuta d'albero secondo la presente descrizione; la

Fig.2 illustra una disposizione di tenuta d'albero comprendente una tenuta a gas secco, secondo una forma di realizzazione esemplificativa; la

Fig.3 illustra una disposizione di tenuta d'albero, comprendente una tenuta a gas secco, secondo un’ulteriore forma di realizzazione esemplificativa.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione

Disposizioni di tenuta d'albero qui descritte possono essere impiegate in un'ampia gamma di applicazioni, ogni qual volta tenute a gas secco possono essere usate come mezzi di tenuta efficaci su alberi ruotanti, e rimozione di calore dalla tenuta a gas secco diviene un fattore importante per un funzionamento efficiente della disposizione di tenuta d'albero.

Forme di realizzazione particolarmente vantaggiose delle disposizioni di tenuta d'albero qui descritte sono in combinazione con turbomacchine in cui vengono processati gas ad alta temperatura, ad esempio compressori centrifughi e turboespantori.

Qui di seguito verrà fatto riferimento ad un sistema di potenza che comprende un turbo-espantore, comprensivo di una disposizione di tenuta d'albero secondo la presente descrizione. Tuttavia, la forma di realizzazione qui descritta non deve essere considerata come limitativa dell'ambito della presente descrizione e dell'invenzione come definita nelle rivendicazioni allegate. Ulteriori vantaggiose applicazioni delle disposizioni di tenuta d'albero possono aversi in altri turbo-espantori, o anche in differenti turbomacchine ruotanti, quali compressori assiali e centrifughi, ad esempio.

In Fig.l è illustrato un sistema di potenza complessivamente indicato con 1, che può usare ad esempio un ciclo termodinamico Rankine organico per produrre potenza meccanica utile. Altri cicli termodinamici possono essere usati come alternativi al ciclo Rankine organico.

Il sistema di potenza 1 comprende un circuito di fluido di lavoro 3, in cui circola un fluido di lavoro che è soggetto a trasformazione termodinamiche cicliche, per convertire potenza termica (calore) in potenza meccanica. In alcune forme di realizzazione il fluido di lavoro può essere un fluido organico, quale pentano, ciclopenta no, toluene e simili. Il fluido di lavoro può anche essere biossido di carbonio (C02), Genetron 245FA (R245FA) o simili. Nel circuito di fluido di lavoro 3 il fluido di lavoro può eseguire un ciclo termodinamico noto assorbendo calore da una sorgente di calore ad alta temperatura, e scaricando calore ad un pozzo di calore a bassa temperatura.

Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.l, il circuito di fluido di lavoro 3 comprende un turbo- espantore 5, un condensatore o refrigeratore 7, una pompa 9 ed uno scambiatore di calore 11. Lo scambiatore di calore 11 può a sua volta comprendere un riscaldatore 11A, un evaporatore 11B ed un surriscaldatore 11C. 11 fluido di lavoro, ad esempio ciclopentano, che circola nel circuito del fluido di lavoro 3, viene riscaldato nel riscaldatore 1IA, vaporizzato nell'evaporatore I 1B ed infine surriscaldato nel surriscaldatore 11 C.

In altre forme di realizzazione lo scambiatore di calore può comprendere un singolo apparato, dove il cambiamento di stato viene eseguito in una singola fase ad esempio se in almeno una porzione del circuito del fluido di lavoro 3 il fluido di lavoro si trova in uno stato supercritico.

In alcune forme di realizzazione, ad esempio se viene usato C02come fluido di lavoro in un ciclo supercritico, la pompa 9 può essere sostituita da un compressore. In termini generali, la macchina 9 è una turbo macchina configurata e realizzata per aumentare la pressione del fluido di lavoro da una bassa pressione ad un'alta pressione.

Il circuito del fluido di lavoro 3 è diviso in un lato ad alta pressione ed in un lato a bassa pressione. 11 lato ad alta pressione si estende dal lato di mandata della pompa 9 all'ingresso del turbo- espantore 5. H lato a bassa pressione si estende dal lato di mandata del turbo-espantore 5 al lato di aspirazione della pompa 9.

Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.l, lo scambiatore di calore 1 1 è in rapporto di scambio termico con un fluido termovettore, ad esempio olio o simili, che circola in un anello di trasferimento termico intermedio 13. Una pompa 15 può far circolare il fluido termovettore nell'anello di trasferimento termico intermedio 16. Calore viene ricevuto dal fluido termovettore da una opportuna sorgente di calore. Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.l la sorgente di calore comprende un ciclo termodinamico superiore, ad alta temperatura 17, comprendente ad esempio un motore a turbina a gas 19, che può essere usato per azionare un generatore elettrico 21. Gas di combustione esausto dal motore a turbina a gas 19 scambia calore ad alta temperatura Q1 in uno scambiatore di recupero di cascame termico 23 verso fluido termovettore che circola nell'anello di trasferimento di calore 13. Il calore Q1 viene poi trasferito attraverso lo scambiatore di calore 11 al fluido di lavoro che circola nel circuito di fluido di lavoro 3.

Fluido di lavoro ad alta pressione riscaldato dallo scambiatore di calore 11 si espande nel turbo- espantore 5, generando potenza meccanica, che è resa disponibile su un albero di uscita, meccanicamente collegato, ad esempio direttamente od attraverso una scatola ad ingranaggi 29, ad un generatore elettrico 25 o a qualunque altro opportuno carico meccanico.

Fluido di lavoro esausto a bassa pressione scaricato dal turbo-espantore 5 viene raffreddato e condensato nel condensatore 7, dove calore a bassa temperatura Q2 viene scaricato in un pozzo di calore, ad esempio un flusso di acqua o di aria .

Fluido di lavoro condensato viene poi pompato dalla pompa 9 dalla bassa pressione del condensatore 7 all'alta pressione dello scambiatore di calore 11.

Il circuito di fluido di lavoro 3 può inoltre comprendere un recuperatore 27, in cui fluido di lavoro esausto scaricato dal turbo-espantore 5 scambia calore verso fluido di lavoro freddo, liquefatto e pressurizzato alimentato dalla pompa 9.

Il turbo-espantore 5 può comprendere un albero ruotante, su cui è montata almeno una girante per ruotare insieme all'albero. L'albero e la girante sono disposti per ruotare in una cassa. Almeno una disposizione di tenuta d'albero è disposta nella cassa per evitare trafilamento di fluido di lavoro dalla cassa del turbo-espantore 5 verso l'ambiente. Una disposizione di tenuta d'albero esemplificativa per l'impiego nel turbo-espantore 5 è mostrata in Fig.2 e verrà descritta in maggiore dettaglio qui di seguito.

La disposizione di tenuta d'albero può comprendere una tenuta a gas secco e ulteriori componenti di tenuta d'albero, e può essere fornita di una disposizione di raffreddamento, per rimuovere calore dalla tenuta a gas secco e proteggere componenti sensibili al calore della disposizione di tenuta d'albero contro il deterioramento dovuto al surriscaldamento.

In alcune forme di realizzazione, come descritto con riferimento alla Fig.2, la disposizione di raffreddamento usa un fluido di raffreddamento liquido, e più specificamente fluido di lavoro liquefatto per rimuovere calore dalla disposizione di tenuta d'albero. D fluido di raffreddamento liquido è almeno parzialmente evaporato cosicché calore latente di vaporizzazione viene efficacemente rimosso dalla disposizione di tenuta d'albero. Liquido di raffreddamento residuo viene drenato attraverso una disposizione di drenaggio, e fluido di raffreddamento evaporato viene sfiatato insieme e cumulativamente al gas di tenuta secco dalla tenuta a gas secco. D fluido di raffreddamento esausto viene riportato nel circuito di fluido di lavoro 3, insieme al gas di tenuta secco dalla tenuta a gas secco, che può essere separato dal fluido di lavoro in un separatore di gas non condensabile.

Riferendosi ora alla Fig.2, viene mostrata una vista in sezione della girante 31 del turbo-espantore 5, insieme ad una porzione dell'albero ruotante 33, su cui la girante 31 è montata per ruotare con esso attorno ad un asse di rotazione A-A. La girante 31 e l'albero ruotante 33 sono montati in una cassa 35 del turbo-espantore.

Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.2, la girante 31 è montata a sbalzo sull’albero ruotante 33, così che può essere usato un singolo cuscinetto (non mostrato) per supportare l’albero ruotante 33. In altre forme di realizzazione, può essere usata una disposizione di giranti fra cuscinetti, in cui una o più giranti sono montate su un albero supportato a due estremità opposte dal due cuscinetti. Una disposizione di tenuta d’albero può essere prevista tra la girante e ciascun cuscinetto che supporta l’albero ruotante 33.

Nella forma di realizzazione della Fig.2 una disposizione di tenuta d’albero 37 è disposta attorno all'albero ruotante 33, tra la girante 31 ed un cuscinetto di supporto dell'albero, non mostrato e disposto sul lato opposto rispetto alla girante 31.

La disposizione di tenuta d'albero 37 ha un lato di alta pressione ed alta temperatura 37H ad una prima estremità assiale di essa, rivolta verso la girante 31, ed un lato a bassa pressione e bassa temperatura 37L alla seconda estremità assiale di essa, rivolta verso il cuscinetto di supporto dell'albero (non mostrato).

La disposizione di tenuta d'albero 37 può comprendere una parte ruotante 41 che ruota insieme all'albero ruotante 33 ed alla girante 31 durante il funzionamento di turbo-espansore 5. La disposizione di tenuta d'albero 37 comprende, inoltre, una parte stazionaria 43, che è montata fissa nella cassa 35 del turbo-espantore 5.

La disposizione di tenuta d'albero 37 comprende, inoltre, una tenuta a gas secco complessivamente indicata con 45. La forma di realizzazione esemplificativa della Fig.2 la tenuta a gas secco 45 è una tenuta a gas secco doppia a facce contrapposte. In altre forme di realizzazione può essere utilizzata, viceversa, una tenuta a gas secco singola, una tenuta a gas secco in tandem o loro combinazioni.

La tenuta a gas secco 45 comprende un manicotto principale 46 sulla parte ruotante 4L Due elementi ruotanti opposti 47 sono montati in maniera contrapposta tra loro sul manicotto principale 46 e ruotano con esso. Gli elementi ruotanti 47 possono essere in forma di anelli e verranno qui di seguito denominati anelli ruotanti.

Ciascun anello ruotante 47 ha una rispettiva superficie di tenuta 47S rivolta da parte opposta al manicotto principale 46. Due opposti elementi stazionari 48 sono disposti sulla parte stazionaria 43 della disposizione di tenuta d’albero 37, cioè in un rapporto fisso con la parte stazionaria 43 ed in rapporto di contrapposizione con il rispettivo anello ruotante 47. Gli elementi stazionari 48 possono essere in forma di anelli e verranno qui di seguito designati come anelli stazionari 48. Ciascun anello stazionario 48 ha una superficie di tenuta 48S, contrapposta alla superficie di tenuta 47S del corrispondente anello ruotante 47.

Ciascun anello stazionario 48 è elasticamente sollecitato da molle 49 contro il rispettivo anello ruotante 47, così che le superfici di tenuta 47S e 48S sono premute funa contro l'altra. Le molle possono essere disposte fra un organo di ritenzione 51 stazionario ed un anello di pressione intermedio 53 disposto fra le molle 49 e il rispettivo anello stazionario 48, per evitare un contatto diretto tra le molle 49 e l'anello stazionario 48.

Gli anelli ruotanti 47 ed il manicotto principale 46 possono essere circondati da una camera a collettore 55 anulare di gas secco, che è in accoppiamento di fluido con una luce 57 di alimentazione di gas secco attraverso un passaggio di gas secco 59 formato nella parte stazionaria 43 della disposizione di tenuta d'albero. La luce di alimentazione 57 di gas secco può essere a sua volta in accoppiamento di fluido con una sorgente di gas secco di tenuta, ad esempio una sorgente di azoto od altro gas di tenuta secco pressurizzato ed inerte. Il gas di tenuta secco pressurizzato viene alimentato fra le opposte superfici di tenuta 47 S, 48S, così che viene formato tra di esse un film di gas di tenuta secco mentre l'albero 33 e la girante 31 ruotano attorno all'asse A-A.

Per proteggere la tenuta a gas secco 45 da danneggiamenti dovuti a sovratemperatura, la disposizione 37 di tenuta d'albero comprende una disposizione di raffreddamento descritta qui di seguito. In particolare danni da sovratemperatura possono verificarsi a guarnizioni 63 disposte fra il manicotto principale 46 e gli anelli ruotanti 47.

Secondo alcune forme di realizzazione, per rimuovere calore dalla tenuta a gas secco e prevenire danni da temperatura, nella cassa 35 possono essere previste una o più luci 61 di liquido di raffreddamento . Le luci 61 di liquido di raffreddamento possono essere disposte per alimentare un liquido di raffreddamento ad una scanalatura anulare 65 formata nella superficie esterna della parte stazionaria 43 della disposizione 37 di tenuta d'albero. La scanalatura 65 può essere a sua volta in comunicazione di fluido con un volume di fluido di raffreddamento in rapporto di scambio termico con la tenuta 45 a gas secco. Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.2, il volume di fluido di raffreddamento comprende una camera anulare 67 di liquido di raffreddamento, che può estendersi attorno all'asse di rotazione A-A dell'albero 33 ed è disposta fra la parte stazionaria 43 e la parte ruotante 41 della disposizione di tenuta d'albero 37. La camera anulare di liquido di raffreddamento 67 può essere disposta vicino alla tenuta a gas secco 45 fra quest' ultima e Γ estremità assiale 37 H ad alta pressione ed alta temperatura della disposizione di tenuta d’albero ed è in rapporto di scambio termico con la tenuta a gas secco 45.

Nella forma di realizzazione esemplificativa della Fig.2, la camera anulare di liquido di raffreddamento 67 è disposta fra l'organo di ritenzione 51 ed una flangia 68 della parte stazionaria 43, che sporge radialmente verso fin terno e verso l'asse di rotazione A-A,

Una prima tenuta d'albero addizionale 69 può essere prevista fra la parte ruotante 41 della disposizione di tenuta d'albero 37 e la flangia 68. La prima tenuta d'albero addizionale 69 può essere una tenuta a labirinto.

Una seconda tenuta d'albero addizionale 71 può essere, inoltre, prevista fra la parte ruotante 41 della disposizione di tenuta d’albero 37 ed un coperchio 73. La tenuta a gas secco 45, la prima tenuta d'albero addizionale 69 e la seconda tenuta d'albero addizionale 71 sono, pertanto, disposte sequenzialmente in una direzione assiale lungo l'asse di rotazione A-A.

A causa dell’ assorbimento di calore dalla disposizione di tenuta d'albero 37 si verifica una evaporazione almeno parziale del liquido di raffreddamento alimentato alla camera di liquido di raffreddamento 67. Viene prevista una disposizione di sfiato di vapore, per rimuovere liquido di raffreddamento vaporizzato dalla disposizione di tenuta d'albero 37. Secondo alcune forme di realizzazione, la disposizione di sfiato del vapore comprende una camera anulare di sfiato di vapore 75 disposta fra la prima tenuta d'albero addizionale 69 e la seconda tenuta d'albero addizionale 71. Almeno una luce di sfiato 77 in comunicazione di fluido con la camera anulare di sfiato di vapore 75 può essere prevista nella parte superiore della camera anulare di sfiato di vapore 75, attraverso la quale viene rimosso liquido di raffreddamento vaporizzato.

Una luce di drenaggio di liquido di raffreddamento 79 può essere prevista nella parte inferiore di una scanalatura 65A formata nella cassa 35 e circondante la gola 65. Scanalatura 65A e la luce di drenaggio 79 formano una disposizione di drenaggio del liquido di raffreddamento, da cui liquido di raffreddamento non vaporizzato può essere drenato o rimosso dalla disposizione di tenuta d'albero 37,

Una o più luci addizionali di liquido di raffreddamento 81 possono essere previste nella cassa 35, in comunicazione di fluido con una scanalatura 83, formante una camera esterna di liquido di raffreddamento circondante la tenuta a gas secco 45. La camera esterna di liquido di raffreddamento forma un volume di fluido di raffreddamento addizionale, disposto e configurato per ricevere fluido di raffreddamento ed in rapporto di scambio termico con la tenuta a gas secco 45. Nella porzione inferiore della disposizione di tenuta d'albero 37 la camera esterna di liquido di raffreddamento 83 può essere in comunicazione di fluido con la scanalatura 65 A attraverso una o più luci 85, così che liquido di raffreddamento presente nella parte inferiore della camera esterna di liquido di raffreddamento 83 può essere rimosso attraverso la luce di drenaggio 79.

Il liquido di raffreddamento alimentato alla camera anulare di liquido di raffreddamento 67 ed alla camera esterna del liquido di raffreddamento 83 può essere fluido di lavoro condensato e pressurizzato proveniente dal circuito del fluido di lavoro 3. In Fig.l un condotto 91 di alimentazione del liquido di raffreddamento collega il lato ad alta pressione del circuito di fluido di lavoro 3, tra la pompa 9 ed il recuperatore 27, alla disposizione di tenuta d'albero 37 del turbo- espantore 5. Un flusso di fluido di lavoro freddo, liquefatto e pressurizzato dalla pompa 9 viene alimentato attraverso il condotto di alimentazione 91 di liquido di raffreddamento alle luci di liquido di raffreddamento 61 e 81.

Liquido di raffreddamento vaporizzato raccolto dalla camera di sfiato 75 del vapore viene riportato al lato di bassa pressione del circuito di fluido di lavoro 3 attraverso una linea di sfiato 93 del vapore. Ad esempio la linea di sfiato 93 può riportare il liquido di raffreddamento vaporizzato al lato vapore del condensatore 7. Liquido di raffreddamento non vaporizzato che si raccoglie nella parte inferiore della scanalatura 65 A può essere riportato attraverso una linea di drenaggio 95 al lato liquido del condensatore 7.

Gas di tenuta secco che trafila dalla tenuta a gas secco 45 attraverso la camera anulare di liquido di raffreddamento 67 viene raccolto, insieme al liquido di raffreddamento vaporizzato nella camera di sfiato 75 del vapore e sfiatato insieme al liquido di raffreddamento vaporizzato verso il condensatore 7,

La disposizione di tenuta d'albero 37 funziona nel modo seguente. Quando il turbo-espantore 5 è in funzione, l’albero 33 e la girante 31 ruotano nella cassa 35. Fluido di lavoro viene elaborato nel circuito di fluido di lavoro 3 per convertire parte della potenza termica dal gas di combustione esausto del motore a turbina a gas 17 in potenza meccanica utile.

Calore viene rimosso dalla disposizione di tenuta d'albero 37, e specificamente dalla tenuta a gas secco 45 di essa, facendo circolare fluido di lavoro condensato e pressurizzato nello stato liquido attraverso il condotto di alimentazione di liquido di raffreddamento 91 verso le luci di liquido di raffreddamento 61, 81. Il fluido di lavoro liquido circola nella camera anulare di liquido di raffreddamento 67 e nella camera esterna di liquido di lavoro 83. Il fluido di lavoro liquido viene riscaldato e parzialmente evaporato da calore sensibile e calore latente di vaporizzazione rimosso dalla disposizione di tenuta d'albero 37, e specificamente dagli anelli stazionari 48 e dagli anelli ruotanti 47. Fluido di lavoro vaporizzato che trafila attraverso la prima tenuta d'albero addizionale 69 viene raccolto nella camera anulare di sfiato di vapore 75 e riportato attraverso la luce di sfiato 77 e la linea di sfiato 93 al condensatore 7. Fluido di lavoro ancora allo stato liquido viene rimosso attraverso la luce di drenaggio 79 e riportato al condensatore 7attraverso la linea di drenaggio 95.

Gas di tenuta secco viene alimentato alla tenuta a gas secco 45 in modo noto, per prevenire trafilamenti del fluido di lavoro verso l'ambiente.

La pressione del fluido di raffreddamento nella camera anulare di liquido di raffreddamento 67 è inferiore rispetto alla pressione del gas di tenuta secco alimentato alle opposte superfici di tenuta 47S, 48S, così che gas di tenuta secco trafila attraverso l'interfaccia fra le opposte superfici di tenuta 47 S, 48 S e fluisce nella camera anulare di liquido di raffreddamento 67. Da qui il gas di tenuta secco trafila ulteriormente, insieme al liquido di raffreddamento vaporizzato, nella camera anulare di sfiato del vapore 75, da cui il liquido di raffreddamento vaporizzato ed il gas di tenuta secco vengono collettivamente sfiati attraverso la luce di sfiato del vapore 77. Il gas di tenuta secco e il liquido di raffreddamento evaporato vengono riportati al condensatore 7, in cui il gas di tenuta secco non condensabile può essere separato dal fluido di lavoro e sfiatato nelfambiente o ricircolato in un circuito di gas di tenuta secco.

Eventuale trafilamento di fluido di processo vaporizzato dalla camera di sfiato del vapore 75 attraverso la seconda tenuta d'albero ausiliaria 71 viene raccolto nel flusso principale del fluido di lavoro che circola nel turbo- espantore 5 e viene riportato al condensatore 7.

Si ottiene in tal modo il raffreddamento della disposizione di tenuta d'albero 37 senza la necessità di mezzi di raffreddamento separati, che possono contaminare il fluido di lavoro che circola nel circuito del fluido di lavoro 3. Un’efficiente rimozione di calore viene fornita dalla transizione di fase liquido- vapore del fluido di lavoro usato come mezzo di raffreddamento nella disposizione di tenuta d'albero 37. Elevate portate di scambio termico vengono ottenute grazie al calore latente di vaporizzazione assorbito dal fluido di lavoro in transizione di fase che circola nel sistema di raffreddamento della tenuta. Il circuito del liquido di raffreddamento e il circuito del gas di tenuta secco non richiedono di essere circuiti chiusi, poiché il fluido di raffreddamento esausto, sia nello stato vapore, sia anche in fase liquida, viene riportato al circuito di fluido di lavoro 3 insieme al gas di tenuta secco che trafila.

Il liquido di raffreddamento viene reso disponibile senza costi addizionali, poiché esso è semplicemente ricavato dal flusso principale di fluido di lavoro, alle condizioni di pressione a temperatura fornite sul lato di mandata della pompa 9. Il flusso di raffreddamento esausto (sia in fase vapore sia in fase liquida) è nuovamente condensato e pressurizzato dal condensatore 7 e dalla pompa 9 senza la necessità di circuiti dedicati di raffreddamento e pressurizzazione.

La Fig.3 illustra una forma di realizzazione alternativa di una disposizione di tenuta d'albero 37. Gli stessi numeri di riferimento indicano gli stessi componenti già descritti in relazione alla Fig.2. Essi non verranno descritti nuovamente.

Nella forma di realizzazione della Fig.3 la camera anulare 67 di liquido di raffreddamento viene sostituita da una camera anulare 70 di fluido di raffreddamento formante un volume di fluido di raffreddamento in rapporto di scambio termico con la tenuta a gas secco 45. Fluido di raffreddamento gassoso, fluido di raffreddamento liquido o miscela di fluido di raffreddamento gassoso e liquido viene alimentato nella camera anulare 70 di gas di raffreddamento attraverso almeno una e preferibilmente una pluralità di luci 72 di fluido di raffreddamento, che possono essere disposte circolarmente attorno all'asse A-A dell'albero 33. Gli ingressi delle luci 72 di fluido di raffreddamento sono in comunicazione con la scanalatura 65. Le uscite delle luci 72 di fluido di raffreddamento sono disposte nella camera anulare 70 di fluido di raffreddamento e configurate per generare getti di fluido di raffreddamento, che sono orientati così da urtare contro la superficie esterna della parte ruotante 41 della disposizione di tenuta d'albero 37.

La sezione trasversale delle luci 72 di fluido di raffreddamento e la pressione di alimentazione del fluido di raffreddamento sono tali per cui la velocità dei getti di fluido di raffreddamento che urtano contro la parte ruotante 41 genera un effetto di barriera termica, che previene o limita la conduzione termica attraverso la parte ruotante 41 daH'estremità 37 H ad alta pressione e alta temperatura della disposizione di tenuta d'albero 37 verso gli anelli ruotanti 47 e le guarnizione 63.

Possono essere previste ulteriori luci di fluido di raffreddamento non mostrate, , che sono orientate contro l'organo di ritenzione 51, per rimuovere calore da esso tramite getti di fluido di raffreddamento che urtano contro l'organo di ritenzione 51, Anche in questo caso fluido di lavoro dal circuito di fluido di lavoro 3 può essere usato come fluido di raffreddamento. In alcune forme di realizzazione, il fluido di raffreddamento può essere in fase gassosa o vapore. In altre forme di realizzazione, attraverso le luci di fluido di raffreddamento 72 può essere alimentato un fluido di raffreddamento in parte gassoso ed in parte liquido, oppure fluido di raffreddamento liquido, nel qual caso calore latente di vaporizzazione viene assorbito dalla fase liquida provocando la vaporizzazione del fluido di raffreddamento liquido e fornendo un più efficace rimozione di calore.

Una luce di drenaggio 79 (non mostrata in Fig.3) può essere prevista, in comunicazione di fluido con la camera anulare di fluido di raffreddamento 70, per rimuovere da essa fluido di raffreddamento liquido.

Fluido di raffreddamento gassoso o evaporato può trafilare attraverso la prima tenuta d'albero addizionale 69 e rimosso attraverso la luce di sfiato del vapore 77, insieme a gas di tenuta secco dalla tenuta a gas secco 45.

I fluidi rimossi dalla disposizione di tenuta d'albero 37 possono essere riportati al circuito di fluido di lavoro 3 come sopra descritto.

II fluido di raffreddamento alimentato alle luci di fluido di raffreddamento 72 può essere fluido di lavoro deviato dal circuito di fluido di lavoro 3, ad esempio a valle della pompa 9, nel qual caso il fluido di raffreddamento sarà fornito in fase liquida. Alternativamente, fluido di lavoro allo stato gassoso può essere deviato dal circuito di fluido di lavoro 3 a monte del turbo- espantore. Può essere previsto un refrigeratore che refrigerare il fluido di lavoro gassoso prima di alimentarlo alla disposizione di tenuta d'albero.

Secondo le forme di realizzazione qui descritte, componenti sensibili al calore della tenuta a gas secco 45 vengono protetti contro il surriscaldamento da fluido di raffreddamento alimentato alla disposizione di tenuta d'albero 37. Una rimozione di calore migliorata può essere ottenuta realizzando i componenti delle disposizioni di tenuta d'albero, quali la parte ruotante 41 e gli anelli 47, 48, usando materiali aventi una elevata conducibilità termica.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

"DISPOSIZIONE DI RAFFREDDAMENTO DI TENUTE A GAS SECCO E METODO" Rivendicazioni 1. Una disposizione di tenuta d'albero per un albero ruotante di turbomacchina avente una asse di rotazione, comprendente: una parte ruotante che ruota durante il funzionamento; una parte stazionaria; una tenuta a gas secco comprendente: almeno un elemento ruotante avente una superficie di tenuta ruotante e disposto per ruotare con la parte ruotante; almeno un elemento stazionario in rapporto fisso con la parte stazionaria ed avente una superfìcie di tenuta stazionaria, la superfìcie di tenuta ruotante e la superficie di tenuta stazionaria essendo elasticamente sollecitate l'una contro l'altra; un percorso di alimentazione di gas secco configurato per alimentare gas secco di tenuta fra la superfìcie di tenuta stazionaria e la superficie di tenuta ruotante; almeno un volume di fluido di raffreddamento disposto per ricevere un fluido di raffreddamento ed in rapporto di scambio termico con la tenuta a gas secco; una disposizione di sfiato, configurata per sfiatare collettivamente un fluido di raffreddamento esausto e gas di tenuta secco dalla disposizione di tenuta d'albero.
2. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 1, in cui la disposizione di sfiato comprende una camera di sfiato, in comunicazione di flusso con il volume di raffreddamento e con la tenuta a gas secco, che raccoglie fluido di raffreddamento esausto e gas secco di tenuta.
3. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 1 o 2, comprendente, inoltre, una disposizione di drenaggio di liquido, in accoppiamento di fluido con il volume di fluido di raffreddamento, configurata e disposta per drenare il fluido di raffreddamento allo stato liquido dal volume di fluido di raffreddamento.
4. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 3, in cui la disposizione di sfiato è in accoppiamento di fluido con una camera di sfiato disposta fra una prima tenuta d'albero addizionale ed una seconda tenuta d'albero addizionale, disposte sequenzialmente lungo l'albero, preferibilmente fra l'elemento ruotante della tenuta a gas secco ed un lato di alta pressione della disposizione di tenuta d'albero.
5. La disposizione di tenuta d'albero di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il volume di fluido di raffreddamento comprende una camera di fluido di raffreddamento disposta adiacentemente all'elemento stazionario e da parte opposta rispetto all'elemento ruotante della tenuta a gas secco.
6. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 5, in cui almeno una luce di fluido di raffreddamento è disposta nella camera di fluido di raffreddamento e orientata per generare almeno un getto di fluido di raffreddamento che urta contro la parte ruotante della disposizione di tenuta d'albero.
7. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 6, in cui una pluralità di luci di fluido di raffreddamento sono previste in una disposizione circolare attorno all'asse dell'albero e orientate per generare una pluralità di getti di fluido di raffreddamento che urtano contro la parte ruotante della disposizione di tenuta d'albero.
8. La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 6 o 7, in cui la disposizione di tenuta d'albero ha una estremità assiale ad alta temperatura ed una estremità assiale a bassa temperatura, ed in cui le luci di fluido di raffreddamento sono disposte fra la tenuta a gas secco e l'estremità assiale ad alta temperatura della disposizione di tenuta d'albero.
9. La disposizione di tenuta d’albero di una qualsiasi delle rivendicazione precedenti, in cui il volume di fluido di raffreddamento comprende una camera esterna di fluido di raffreddamento che circonda la parte stazionaria della disposizione di tenuta d'albero, 10.
La disposizione di tenuta d'albero della rivendicazione 9, in cui la camera esterna di fluido di raffreddamento si estende attorno alla tenuta a gas secco.
I L La disposizione di tenuta d'albero di una qualsiasi delle rivendicazione precedenti, in cui la pressione del gas secco di tenuta e del fluido di raffreddamento sono tali che gas secco di tenuta fluisce dalla tenuta a gas secco verso il volume di fluido di raffreddamento.
12. Una disposizione di turbomacchina comprendente: una turbomacchina, in cui viene elaborato un fluido di lavoro e comprensiva di: una cassa; un albero disposto per ruotare nella cassa; almeno una girante montata sull'albero; una disposizione di tenuta d'albero secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11; una sorgente di fluido di raffreddamento, in accoppiamento di fluido con la disposizione di tenuta d'albero e che alimenta fluido di raffreddamento ad essa.
13. La disposizione di turbomacchina della rivendicazione 12, in cui la disposizione di sfiato di vapore e la disposizione di drenaggio di liquido della disposizione di tenuta d’albero sono in comunicazione di fluido con la sorgente di fluido di raffreddamento.
14. La disposizione di turbomacchina della rivendicazione 12 o 13, in cui il fluido di raffreddamento è fluido di lavoro elaborato dalla turbomacchina, o un fluido compatibile con esso.
15. Un sistema di conversione di potenza comprendente: un circuito di un fluido di lavoro avente un lato ad alta pressione ed un lato a bassa pressione e configurato per far fluire un fluido di lavoro attraverso di esso; un refrigeratore disposto e configurato per rimuovere calore dal fluido di lavoro nel lato a bassa pressione del circuito di fluido di lavoro; una pompa o compressore in accoppiamento di fluido con il circuito del fluido di lavoro fra il lato a bassa pressione ed il lato ad alta pressione di esso, configurato per innalzare la pressione del fluido di lavoro nel circuito di fluido di lavoro; uno scambiatore di calore configurato per circolare il fluido di lavoro in rapporto di scambio termico con un fluido caldo, per vaporizzare il fluido di lavoro; un turbo-espantore in accoppiamento di fluido con il circuito di fluido di lavoro e disposto tra il lato ad alta pressione ed il lato a bassa pressione di esso, configurato per espandere fluido di lavoro che fluisce attraverso di esso e generare con esso potenza meccanica; in cui il turbo-espantore comprende: una cassa; un albero disposto per ruotare nella cassa; una girante montata sull'albero per ruotare con esso; una disposizione di tenuta d'albero secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 11, per cooperare a tenuta con l'albero del turbo-espantore.
16. Il sistema di conversione di potenza della rivendicazione 15, in cui la disposizione di tenuta d'albero è in accoppiamento di fluido con il lato di alta pressione del circuito di fluido di lavoro, a valle della pompa o compressore.
17. Il sistema di conversione di potenza della rivendicazione 16, in cui la disposizione di sfiato del vapore e la disposizione di drenaggio sono in accoppiamento di fluido con il lato a bassa pressione del circuito di fluido di lavoro.
18. Il sistema di conversione di potenza della rivendicazione 17, in cui la disposizione di drenaggio e la disposizione di sfiato di vapore sono in accoppiamento di fluido con il refrigeratore.
19. Un metodo per raffreddare una disposizione di tenuta d'albero per un albero ruotante per una turbo macchina in accoppiamento di fluido con un circuito di fluido di lavoro, la disposizione di tenuta d'albero comprendendo una tenuta a gas secco; il metodo comprendendo le fasi di: elaborare un fluido di lavoro attraverso la turbo macchina; alimentare un gas secco di tenuta alla tenuta a gas secco; alimentare un fluido di raffreddamento alla disposizione di tenuta d’albero; sfiatare collettivamente fluido di raffreddamento esausto e gas secco di tenuta dalla disposizione di tenuta d'albero.
20. Il metodo della rivendicazione 19, in cui il fluido di raffreddamento è fluido di lavoro elaborato attraverso la turbo macchina e derivato da un flusso principale di fluido di lavoro che circola in detto circuito di fluido di lavoro.
21. Il metodo della rivendicazione 20, in cui la turbo macchina è un turboespantore ed in cui il fluido di lavoro è espanso attraverso il turbo-espantore da un'alta pressione ad una bassa pressione; il metodo comprendendo, inoltre, le fasi di: raffreddare il fluido di lavoro espanso dal turbo-espantore; aumentare la pressione del fluido di lavoro raffreddato dalla bassa pressione all'alta pressione; riscaldare e vaporizzare il fluido compresso; alimentare il fluido di lavoro vaporizzato al turbo-espantore; derivare un flusso laterale di fluido di lavoro verso la disposizione di tenuta d'albero; riportare fluido di raffreddamento esausto e gas secco di tenuta dalla disposizione di tenuta d'albero al circuito.
22. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 19 a 21, comprendente, inoltre, le fasi di: rimuovere calore dalla disposizione di tenuta d'albero evaporando almeno parzialmente il fluido di raffreddamento alimentato alla disposizione di tenuta d'albero in uno stato liquido; sfiatare fluido di raffreddamento evaporato e gas secco di tenuta e separatamente drenare il liquido di raffreddamento esausto dalla disposizione di tenuta d'albero.