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INTRODUZIONE
La progettazione rotordinamica di turbomacchine ad elevata velocità di rotazione deve rispondere a due principali requisiti:
• garantire la minima risposta alle vibrazioni forzate;
• prevenire l’instabilità dovuta a fenomeni di auto-eccitazione.
L’instabilità, infatti, impone una limitazione sulle prestazioni e capacità delle turbomacchine, a fronte di una continua tendenza verso densità di potenza e velocità sempre più elevate.
In questo contesto si inserisce quindi la necessità di investigare e predire le caratteristiche di rigidezza e smorzamento dei sistemi di tenuta interna tipici delle macchine rotanti che risultano molto influenti sulla stabilità rotordinamica.
In particolare le turbomacchine piu’ interessate da questa problematica sono i compressori centrifughi di processo, a causa soprattutto delle elevate densità del fluido da loro elaborato.
Definite quindi le configurazioni tipiche delle macchine rotanti e come in esse si collocano le tenute interne di tipo labirinto, occorre specificare, a partire dal loro ruolo funzionale nel garantire adeguato rapporto di pressione contenendo le fughe di flusso in senso assiale, con quali meccanismi esse possano apportare un significativo contributo alla stabilità delle macchine stesse.
La modellazione delle forze indotte dal fluido sulle tenute, i criteri di scelta e la specificazione delle caratteristiche dinamiche delle tenute stesse, passano attraverso la definizione delle proprietà di rigidezza e smorzamento.
L’analisi e la valutazione del comportamento dinamico del sistema viene effettuata pesando i vari contributi dati dal rotore, dai cuscini portanti e dalle tenute interne. Lo standard API (American Petroleum Institute) pone livelli di analisi per le verifiche di stabilità attraverso criteri quali l’analisi modale (ricerca delle risonanze, modi propri e caratteristiche di rigidezza e
2 smorzamento della struttura) e il decremento logaritmico, funzioni del grado di smorzamento del sistema stesso.
La predizione dei coefficienti dinamici delle tenute interne riveste quindi un peso fondamentale nell’economia del progetto delle macchine sia in fase di design che in quella di collaudo per le verifiche.
Negli ultimi decenni si è assistito ad un ampio sforzo da parte della comunità scientifica al fine di sviluppare strumenti in grado di predire i coefficienti dinamici delle tenute, sia di carattere analitico-numerico sia attraverso attività di ricerca sperimentale volta a validare gli strumenti analitico-numerico stessi.
Il panorama si presenta quindi molto ampio e articolato ed entrambi gli approcci di ricerca hanno evidenziato limiti costitutivi insiti nella modellazione della fisica del gas di processo all’interno delle tenute e nella riproduzione sperimentale delle reali condizioni operative delle macchine rotanti ad alte prestazioni.
Le precedenti considerazioni e la continua ricerca verso nuove tipologie di tenute, prospettano ampi margini in una attività di ricerca che per la sua tipologia richiede comunque un considerevole impiego di risorse.
I Aspetti fondamentali di un compressore centrifugo
I compressori centrifughi hanno una gamma di applicazioni che copre una vasta area di utilizzazione, da quelli utilizzati in campo aeronautico con rapporti di compressione che possono arrivare fino a 8:1, a quelli specifici per uso industriale.
Il notevole sviluppo raggiunto in questi ultimi anni è stato favorito dall’estrema compattezza e dal ridotto numero di componenti. I rendimenti, anche se al di sotto di quelli ottenibili con macchine assiali, risultano essere oggi superiori all’80% con il trend di design orientato sempre piu’ verso una maggiore efficienza e prestazione. L’interesse verso questa famiglia di macchine è dettato dalla possibilità di forti trasferimenti di energia potenziale al fluido anche in
3 condizioni di portate limitate, dal vantaggio di una costruzione compatta e fondamentalmente robusta e dalla buona versatilità grazie alla quale trovano larga applicazione nei più svariati settori industriali: dalle piccole portate richieste per la sovra-alimentazione nei motori alternativi a combustione interna alle grandi portate nei gasdotti o nell'industria della raffinazione di prodotti petroliferi.
Uno schema di compressore centrifugo monostadio è riportato in Figura I.1.
Questo è costituito da una cassa esterna al cui interno ruota la girante calettata sull’albero. L’energia all’albero è fornita da una macchina motrice esterna che può essere una turbina, a gas o a vapore, oppure un motore elettrico. La girante, detta anche impeller, trasferisce energia al flusso aumentandone la pressione e la velocità. L’organo statorico a valle della girante, ovvero il diffusore, permette il recupero dell’energia cinetica del flusso trasformandola in energia di pressione.
La voluta che circonda il diffusore ha infine il compito di raccogliere il gas in pressione ed inviarlo all’utilizzatore.
Figura I.1-Assonometria e sezioni di un compressore centrifugo monostadio.
Generalmente, ed in particolare per le applicazioni ad alta pressione, la macchina è costituita da più stadi accoppiati come mostrato in Figura I.2.
4 In questo caso si ha una cassa esterna (A) che contiene una parte statorica (B), in cui è inserito un rotore formato dall’albero (C), e dalle varie giranti (D). Sul rotore sono inseriti elementi di tenuta a labirinto (L).
Figura I.2-Sezione longitudinale di un compressore centrifugo multistadio.
Il gas è aspirato dal compressore attraverso la flangia d’aspirazione, entra in una camera anulare (coclea d’aspirazione) convergendo uniformemente verso il centro. Successivamente il gas entra nel diaframma e quindi nella prima girante (Figura I.3).
5 Figura I.3-Percorso seguito dai gas nel compressore.
La girante spinge il gas verso l’esterno aumentandone velocità e pressione. In seguito il gas percorre il diffusore, nel quale si ha un recupero di pressione, ed, infine, percorre il canale di ritorno nel quale si trovano alcune palette per raddrizzare il flusso in modo da ottenere un ingresso assiale nella girante successiva (Figura I.4). L’ultima girante invia il gas in un diffusore che lo porta in una camera anulare, detta voluta di mandata. La voluta è formata da una camera circolare che raccoglie il gas dalla periferia del diffusore, e lo convoglia alla flangia di mandata; vicino a questa è presente una pinna che impedisce al gas di continuare a girare nella voluta (Figura I.5).
6 Figura I.4-Canale di ritorno in compressori a più stadi.
Figura I.5-Sezione trasversale di una voluta.
7 I compressori centrifughi hanno forme diverse in funzione del servizio per il quale devono essere utilizzati e della pressione di progetto. A seconda della finalità ricercata, maggiori prestazioni o maggiore affidabilità, differiscono per alcuni particolari dei componenti. Nelle macchine in cui si ricercano elevate prestazioni, come ad esempio quelle per utilizzo aeronautico in cui si vogliono ottenere elevati rapporti di compressione, la girante è solitamente di tipo unshrouded: le pale ruotano vicino ad una cassa ferma con gioco ridotto. È spesso presente in queste macchine un tratto iniziale ad andamento assiale, detto inducer. Le pale, denominate splitter (Figura I.6) sono inclinate all’indietro all’uscita girante (backsweep), e non tutte raggiungono l’inducer. Questo perché all’uscita della girante, alla condizione di necessità di un numero elevato di pale per guidare meglio il flusso, occorre considerare che se queste si estendessero fino all’ingresso, e in presenza di valori della portata particolarmente elevati, causerebbero problemi di choking (blocco sonico).E’ così denominata infatti la condizione nella quale in una sezione si raggiungono velocità pari a quella del suono con manifestazione di due effetti distinti: impossibilità che la portata possa aumentare ulteriormente, formazione di onde d'urto con rapido aumento delle dissipazioni viscose e caduta di rendimento.
Figura I.6-Girante con pale splitter.
8 Nelle macchine per uso industriale pluristadio si preferisce solitamente la soluzione con girante chiusa (Figura I.7): non sono provviste di inducer, hanno uscita puramente radiale, ed una controcassa fissata alle pale. Questa elimina l’obbligo di mantenere piccoli giochi, ma aggiunge elevate masse rotanti che possono creare problemi ad elevati regimi di rotazione
Figura I.7-Girante di tipo industriale.
Il principio di funzionamento non cambia sia che si ricerchino le prestazioni o il basso costo: la maggior parte dell’aumento di pressione ed entalpia è ottenuta grazie ai fenomeni centrifughi, i quali dipendono solamente dalla velocità di uscita e ingresso della girante.
II Le tenute interne
Le tenute interne, e nella fattispecie le tenute labirinto come si vedrà in dettaglio nei prossimi capitoli, costituiscono un punto chiave nella progettazione delle turbomacchine. Si tratta di dispositivi che limitano le perdite di fluido nella zona contingente tra la parte rotorica e quella statorica, dissipando l'energia cinetica del flusso attraverso una serie di restringimenti e cavità che accelerano e decelerano il fluido. Alcuni tipi di queste tenute vengono mostrate in Figura II.1.
9 Figura II.1-Alcune configurazioni di tenute labirinto
Vengono disposte in diverse posizioni lungo l’albero (Figura II.2). Attraverso la loro configurazione è possibile creare una caduta di pressione tra due volumi che devono essere mantenuti a pressioni distinte.
Con riferimento alle tenute a labirinto, queste possono essere suddivise nella seguente tipologia secondo la loro ubicazione:
• Tenute Laby tamburo compensatore: lavorano in condizioni di maggiore pressione differenziale.
• Tenute Laby occhio girante: il loro impiego si rende necessario per evitare che si abbia un ricircolo del gas di processo (di scarico) verso la girante di aspirazione.
• Tenute di interstadio: sono collocate sul mozzo della girante creando continuità tra due zone contigue.
• Tenute fine albero: sono appunto collocate all’estremità dell’albero e impediscono che il gas di processo fuoriesca dal compressore.
10 Figura II.2 -Configurazione tipica tenute
III Obbiettivi e articolazione della tesi
Il seguente lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito di un tirocinio svoltosi presso il Nuovo Pignone S.p.A. di Firenze, azienda facente parte del gruppo General Electric (GE). L’attività è stata svolta nel reparto di ricerca e sviluppo AT/OGTL (Advanced Technology, Oil&Gas Tecnology Laboratory) della GE Oil&Gas, leader mondiale nella fornitura di attrezzature tecnologiche, tra cui turbine a gas e compressori centrifughi, per l’intera industria del petrolio e del gas. Oggetto di questa tesi è l’identificazione sperimentale dei coefficienti dinamici di tenute a labirinto utilizzando il banco prova sviluppato internamente da GE Oil & Gas, denominato “Ultra High Pressure Seal Test Rig” per misurare la rigidezza e lo smorzamento delle tenute. L’attività di ricerca riportata nel presente documento si è quindi così articolata:
• Studio dei criteri di progettazione per compressori centrifughi, con particolare riferimento alla gestione dei fenomeni di instabilità originati dalla presenza di sistemi di tenuta.
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• Studio dei sistemi, delle attrezzature, delle metodologie di misura e delle macchine utilizzate per l'esecuzione delle verifiche sperimentali volte a validare i modelli di calcolo teorici.
Sviluppo, implementazione e validazione di una metodologia di identificazione dei coefficienti dinamici con implementazione di metodi per lo studio della propagazione dell’errore al fine di stimare le incertezze.
Pianificazione ed esecuzione delle prove sperimentali.
Analisi dei risultati sperimentali e confronto con risultati ottenuti tramite software di design.
• Studio di sensibilità dei dati sperimentali alle diverse condizioni di test e verifica delle ipotesi del modello teorico.
Conclusioni e sviluppi futuri.
