ITMI20071100A1 - ANCHORAGE SYSTEM FOR THE IMPELLERS OF A ROTARY FLUID MACHINE - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale DESCRIPTION of the industrial invention
a nome: NUOVO PIGNONE S.p.A. in the name: NUOVO PIGNONE S.p.A.
di nazionalità: italiana of nationality: Italian
con sede in: FIRENZE FI based in: FIRENZE FI
La presente invenzione si riferisce ad un sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido e, più in particolare, ad un sistema di ancoraggio tra una girante e l'albero rotante di un compressore di tipo centrifugo. The present invention refers to an anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine and, more particularly, to an anchoring system between an impeller and the rotating shaft of a centrifugal compressor.
Come è noto, un compressore è una macchina in grado di innalzare la pressione di un fluido comprimibile (gas) mediante l'impiego di energia meccanica. Tra i vari tipi di compressori utilizzati negli impianti di processo in campo industriale si annoverano i compressori cosiddetti centrifughi, nei quali l'energia al gas viene fornita sotto forma di accelerazione centrifuga dovuta alla rotazione, generalmente comandata da un driver (motore elettrico o turbina a vapore), di un organo denominato rotore o girante. As is known, a compressor is a machine capable of raising the pressure of a compressible fluid (gas) through the use of mechanical energy. Among the various types of compressors used in process plants in the industrial field are the so-called centrifugal compressors, in which the energy to the gas is supplied in the form of centrifugal acceleration due to rotation, generally controlled by a driver (electric motor or turbine steam), of an organ called rotor or impeller.
I compressori centrifughi possono essere provvisti di un solo rotore, nella configurazione cosiddetta a singolo stadio, oppure di più giranti disposte in serie, prendendo in tal caso il nome di compressori multistadio. Più precisamente, ciascuno degli stadi di un compressore centrifugo è di norma composto da un condotto di aspirazione per il gas da comprimere, da una girante, che è in grado di fornire energia cinetica al gas, e da un diffusore, il cui compito è quello di convertire l'energia cinetica del gas in uscita dalla girante in energia di pressione. Centrifugal compressors can be equipped with a single rotor, in the so-called single-stage configuration, or with several impellers arranged in series, in this case taking the name of multistage compressors. More precisely, each of the stages of a centrifugal compressor is usually composed of an intake duct for the gas to be compressed, an impeller, which is able to supply kinetic energy to the gas, and a diffuser, whose task is that to convert the kinetic energy of the gas exiting the impeller into pressure energy.
Le giranti dei compressori centrifughi sono di norma realizzate sotto forma di un disco nella cui parte centrale è ricavato un mozzo in grado di supportare un numero variabile di palette. Il mozzo è provvisto di un foro centrale passante che consente alla girante di essere vincolata, normalmente mediante calettatura, all'albero rotante del compressore centrifugo. The impellers of centrifugal compressors are usually made in the form of a disk in the central part of which is a hub capable of supporting a variable number of vanes. The hub is provided with a central through hole which allows the impeller to be constrained, usually by keying, to the rotating shaft of the centrifugal compressor.
Un problema che si verifica con le giranti di tipo noto, specie se costruite in leghe metalliche leggere (ad esempio alluminio) anziché in acciaio al fine di poter operare con alcuni fluidi particolari, è quello di mantenere una sufficiente interferenza con l'albero durante il funzionamento del compressore. Il mantenimento di un'adeguata interferenza tra la girante o le giranti e l'albero durante l'esercizio della macchina è infatti una condizione necessaria per conservare l'equilibratura del rotore e per trasmettere, dall'albero alla girante, la coppia richiesta dal lavoro della girante stessa. Soprattutto questo secondo aspetto è particolarmente critico per giranti calettate sull'albero. Infatti, la dilatazione radiale del mozzo della girante, specie se costruita in lega d'alluminio, dovuta sia alla dilatazione termica che all'effetto delle forze centrifughe risulta molto elevata rispetto agli stessi manufatti costruiti in acciaio, con conseguente facilità di perdita totale o parziale dell'interferenza, comunque insufficiente alla trasmissione della coppia. A problem that occurs with known type impellers, especially if built in light metal alloys (for example aluminum) instead of steel in order to be able to operate with some particular fluids, is to maintain sufficient interference with the shaft during compressor operation. Maintaining adequate interference between the impeller (s) and the shaft during machine operation is in fact a necessary condition for maintaining the balance of the rotor and for transmitting the torque required by the work from the shaft to the impeller. of the impeller itself. Especially this second aspect is particularly critical for impellers keyed on the shaft. In fact, the radial expansion of the impeller hub, especially if built in aluminum alloy, due to both thermal expansion and the effect of centrifugal forces is very high compared to the same products made of steel, with consequent ease of total or partial loss. interference, however insufficient for torque transmission.
In particolare, le giranti in lega leggera d'alluminio non possono essere semplicemente calettate sull'albero, perché queste leghe di alluminio hanno un basso modulo di elasticità, a cui corrisponde una bassa pressione specifica di contatto mozzo girante-albero, ed un alto coefficiente di dilatazione termica, che determina la maggior perdita d'interferenza durante l'esercizio della girante. Attualmente, l'unica applicazione nota di giranti costruite in alluminio prevede un loro calettamento di testa sull'albero, cioè all'estremità dell'albero del compressore, dove il sistema di centraggio e trasmissione della coppia è molto facilitato. In particular, light aluminum alloy impellers cannot simply be keyed onto the shaft, because these aluminum alloys have a low modulus of elasticity, which corresponds to a low specific pressure of impeller-shaft hub contact, and a high coefficient of thermal expansion, which determines the greatest loss of interference during the operation of the impeller. Currently, the only known application of impellers built in aluminum provides for their head keying on the shaft, that is, at the end of the compressor shaft, where the torque centering and transmission system is very easy.
Scopo della presente invenzione è pertanto quello di risolvere i problemi relativi alle giranti secondo la tecnica nota, realizzando un sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido e, più in particolare, un sistema di ancoraggio tra una girante e l'albero rotante di un compressore di tipo centrifugo, adatto a garantire la trasmissione della potenza per interferenza tra albero e girante, specie in caso di utilizzo di giranti costruite in leghe di alluminio. The aim of the present invention is therefore to solve the problems relating to the impellers according to the known art, by realizing an anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine and, more particularly, an anchoring system between an impeller and the shaft. of a centrifugal compressor, suitable for guaranteeing the transmission of power by interference between shaft and impeller, especially when using impellers made of aluminum alloys.
Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare un sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido che consenta il montaggio di giranti in leghe di alluminio anche lungo l'albero di un compressore di tipo multistadio e non solo in corrispondenza di una sua estremità, garantendo centraggio e trasmissibilità della coppia adeguati. Another object of the invention is to provide an anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine that allows the assembly of aluminum alloy impellers also along the shaft of a multistage compressor and not only in correspondence with one of its ends, ensuring proper centering and transmissibility of the torque.
Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido come esposto nella rivendicazione 1. These objects according to the present invention are achieved by realizing an anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine as set forth in claim 1.
Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive. Further characteristics of the invention are highlighted by the subsequent claims.
Le caratteristiche ed i vantaggi di un sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali: The characteristics and advantages of an anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine according to the present invention will become more evident from the following description, which is exemplary and not limiting, referring to the attached schematic drawings in which:
la figura 1 è una vista in sezione parziale di un generico compressore centrifugo multistadio, munito di una pluralità di giranti calettate sull'albero tra due cuscinetti di supporto; Figure 1 is a partial section view of a generic multistage centrifugal compressor, equipped with a plurality of impellers keyed on the shaft between two support bearings;
la figura 2 è una vista schematica in sezione del sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido secondo la presente invenzione; e Figure 2 is a schematic sectional view of the anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine according to the present invention; And
la figura 3 è un'altra vista schematica in sezione del sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido secondo la presente invenzione, in cui vengono messe in evidenza alcune grandezze fondamentali. Figure 3 is another schematic sectional view of the anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine according to the present invention, in which some fundamental quantities are highlighted.
Con riferimento in particolare alla figura 1, viene mostrato un generico compressore centrifugo, di tipo multistadio, indicato complessivamente con il numero di riferimento 10. Il compressore 10 comprende un involucro o statore 12 all'interno del quale è girevolmente montato un albero 14 che appoggia su una pluralità di cuscinetti di supporto 16. Sull'albero 14 è calettata una pluralità di giranti 18, ciascuna di esse essendo provvista a sua volta di una pluralità di palette 20 circonferenziali a sviluppo sostanzialmente radiale. Sull'involucro 12 sono quindi ricavate delle canalizzazioni o diaframmi 22 che consentono al fluido comprimibile (gas) di essere convogliato verso il primo stadio e, da questo, agli stadi successivi per essere poi espulso, in pressione, dal compressore 10. With reference in particular to Figure 1, a generic centrifugal compressor of the multistage type is shown, indicated as a whole with the reference number 10. The compressor 10 comprises a casing or stator 12 inside which a shaft 14 is rotatably mounted which rests on a plurality of support bearings 16. A plurality of impellers 18 is keyed onto the shaft 14, each of them being in turn provided with a plurality of circumferential vanes 20 with substantially radial development. Ducts or diaphragms 22 are thus obtained on the casing 12 which allow the compressible fluid (gas) to be conveyed to the first stage and, from this, to the subsequent stages to be then expelled, under pressure, by the compressor 10.
Con riferimento ora alla figura 2, viene mostrata in sezione una singola girante 18, realizzata di preferenza in lega di alluminio e montata sull'albero 14 con interferenza, similmente a quanto avviene per le più comuni giranti in acciaio. La girante 18 è dotata di un profilo che comprende una prima superficie anteriore 24 sostanzialmente concava ed una seconda superficie posteriore 26 sostanzialmente convessa, opposta alla prima superficie anteriore 24. With reference now to Figure 2, a single impeller 18 is shown in section, preferably made of aluminum alloy and mounted on the shaft 14 with interference, similarly to what happens for the most common steel impellers. The impeller 18 is equipped with a profile which comprises a first substantially concave front surface 24 and a second substantially convex rear surface 26, opposite the first front surface 24.
La porzione centrale 28, comunemente chiamata "mozzo" della girante 18 e configurata per essere vincolata con interferenza all'albero 14 del compressore 10, è provvista di un codolo 30 di lunghezza opportuna, raccordato con la superficie posteriore 26 della girante 18 stessa. The central portion 28, commonly called the "hub" of the impeller 18 and configured to be constrained with interference to the shaft 14 of the compressor 10, is provided with a tang 30 of suitable length, connected to the rear surface 26 of the impeller 18 itself.
Secondo l'invenzione, sul codolo 30 della girante 18 viene assemblato per interferenza un anello di ritegno 32 avente due superfici circonferenziali interne distinte 34 e 36 con diametro differente. La prima superficie circonferenziale 34, di diametro maggiore, è accoppiata con interferenza con il diametro esterno De(figura 3) del codolo 30, mentre la seconda superficie circonferenziale 36, di diametro minore, è accoppiata con interferenza direttamente sull'albero 14. In tal modo, è possibile ottenere un incremento di interferenza, che si genera tra il diametro esterno del codolo 30 e l'anello di ritegno 32, durante il funzionamento del compressore 10. According to the invention, a retaining ring 32 having two distinct internal circumferential surfaces 34 and 36 with different diameter is assembled on the tang 30 of the impeller 18. The first circumferential surface 34, with a larger diameter, is interference fit with the outer diameter De (Figure 3) of the shank 30, while the second circumferential surface 36, with a smaller diameter, is interference coupled directly on the shaft 14. In this way thus, it is possible to obtain an increase in interference, which is generated between the external diameter of the tang 30 and the retaining ring 32, during the operation of the compressor 10.
Preferibilmente, al fine di aumentare l'interferenza tra le parti e potenziare la trasmissibilità della coppia dall'albero 14 a ciascuna girante 18, può essere previsto l'inserimento di una o più chiavette 38 tra la superficie esterna dell'albero 14 e la seconda superficie interna 36 dell'anello di ritegno 32, come mostrato in figura 2. Preferably, in order to increase the interference between the parts and enhance the transmissibility of the torque from the shaft 14 to each impeller 18, it is possible to insert one or more keys 38 between the external surface of the shaft 14 and the second one. inner surface 36 of the retaining ring 32, as shown in Figure 2.
Per incrementare ulteriormente la coppia trasmissibile dall'albero 14 alla girante 18, l'anello di ritegno 32 può anche essere applicato sul lato anteriore della girante 18, vale a dire in corrispondenza dell'occhio 40 della girante 18 stessa. To further increase the torque that can be transmitted from the shaft 14 to the impeller 18, the retaining ring 32 can also be applied on the front side of the impeller 18, that is to say in correspondence with the eye 40 of the impeller 18 itself.
In base a prove sperimentali ed a controlli sull'efficienza del compressore 10, è emerso che sono da ritenersi fondamentali i rapporti del diametro D dell'albero 14 con il diametro esterno Dedel codolo 30, nonché con il diametro esterno Dadell'anello di ritegno 32 e con le lunghezze Lce La, misurate lungo la direzione assiale dell'albero 14, che rappresentano rispettivamente la lunghezza efficace del codolo 30 e la lunghezza della seconda superficie 36, o lunghezza efficace dell'anello di ritegno 32 (vedere figura 3). On the basis of experimental tests and checks on the efficiency of the compressor 10, it has emerged that the relationships of the diameter D of the shaft 14 with the external diameter D of the shank 30, as well as with the external diameter D of the retaining ring 32 are to be considered fundamental. and with the lengths Lce La, measured along the axial direction of the shaft 14, which respectively represent the effective length of the tang 30 and the length of the second surface 36, or effective length of the retaining ring 32 (see Figure 3).
Un buon compromesso tra dimensioni, tensioni ed efficienza è stato ottenuto con i seguenti rapporti, riferiti al diametro D dell'albero 14: A good compromise between dimensions, tensions and efficiency has been obtained with the following ratios, referred to the diameter D of the shaft 14:
Poiché l'anello di ritegno 32 si estende in lunghezza, nella direzione assiale dell'albero 14, oltre il codolo 30 della girante 18, come mostrato nelle figure 2 e 3, per rispettare gli ingombri assiali o, in altre parole, il passo delle giranti 18 nel compressore multistadio 10, l'anello di ritegno 32 stesso può essere provvisto di una porzione 42 della sua superficie esterna opportunamente sagomata in corrispondenza dei diaframmi 22, alzando il diametro delle tenute a labirinto interstadio. Since the retaining ring 32 extends in length, in the axial direction of the shaft 14, beyond the tang 30 of the impeller 18, as shown in Figures 2 and 3, to respect the axial dimensions or, in other words, the pitch of the impellers 18 in the multistage compressor 10, the retaining ring 32 itself can be provided with a portion 42 of its outer surface suitably shaped in correspondence with the diaphragms 22, increasing the diameter of the interstage labyrinth seals.
Si è così visto che il sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido, in particolare tra una girante e l'albero rotante di un compressore di tipo centrifugo, secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. Il sistema consente infatti di trasmettere la coppia necessaria dall'albero alle giranti anche se realizzate in lega leggera (leghe d'alluminio), nonché di mantenere il centraggio delle giranti stesse sull'albero della macchina, eliminando il pericolo di indurre effetti di squilibrio sul rotore durante il funzionamento del compressore. It has thus been seen that the anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine, in particular between an impeller and the rotary shaft of a centrifugal compressor, according to the present invention achieves the purposes outlined above. In fact, the system allows to transmit the necessary torque from the shaft to the impellers even if made of light alloy (aluminum alloys), as well as to maintain the centering of the impellers themselves on the machine shaft, eliminating the danger of inducing imbalance effects on the rotor during compressor operation.
Il sistema di ancoraggio per le giranti di una macchina rotativa a fluido della presente invenzione così concepito è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche. The anchoring system for the impellers of a fluid rotary machine of the present invention thus conceived is susceptible in any case of numerous modifications and variations, all falling within the same inventive concept; furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements. In practice, the materials used, as well as the shapes and sizes, may be any according to the technical requirements.
L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate The scope of protection of the invention is therefore defined by the attached claims
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