ITTO930904A1 - Pompa centrifuga con girante aperta - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo

"Pompa centrifuga con girante aperta"?

Campo dell ' Invenzione

La presente invenzione riguarda una pompa centrifuga con girante aperta utilizzabile non solamente in applicazioni industriali ma anche nell'ambito di turbopompe di motori a

Tecnica nota

Le turbopompe dei motori a razzo, di cui ? dotato il primo stadio di un vettore, presentano un'elevata potenza e sono caratterizzate da portate considerevoli e da pressioni medie o elevate.

Nelle realizzazioni esistenti di tali turbopompe di elevata potenza le giranti di tutti gli stadi centrifughi della pompa sono munite di flange solidali con le giranti, ci? che definisce delle pompe con girante chiusa ad alto rendimento, che beneficiano di una larga tolleranza di posizione assiale della girante, ma la cui velocit?,periferica ? limitata dalla tenuta meccanica della flangia. L.'utilizzazio?? di giranti chiuse porta ad aumentare il numero di stadi della pompa per una data sovrapressione e di conseguenza aumenta sensibilmente il costo. Inoltre la lavorazione di giranti chiuse ? relativamente complessa, ci? che contribuisce a rendere questo tipo di pompa ancora pi? costoso.

D'altra parte ? stato gi? proposto di utilizzare, in stadi centrifughi di pompa, delle giranti aperte, cio?,delle giranti prive di una flangia solidale con la parte frontale delle palette. La lavorazione delle giranti aperte ? facilitata, ma tali giranti aperte richiedono un gioco di girante fra la parte frontale anteriore delle palette della suddetta girante e la parte anteriore della carcassa della pompa, gioco che crea una fuoriuscita e che diminuisce il rendimento volumetricc. Per mantenere questo rendimento ad un valore accettabile si d? alla girante una posizione assiale molto precisa a partire dai cuscinetti, che .porta a dei costi elevati quando non c'? un'impossibilit? di esecuzione, oppure si accetta un gioco di girante considerevole, applicabile solamente a delle pompe di piccola potenza o poco sensibili a questo parametro, come sono le pompe con velocit? specifica elevata, cio? le pompe elicocentrifughe.

Il sistema di equilibratura assiale delle pompe centrifughe con girante aperta o chiusa ? un sistema passivo, ad esempio un cuscinetto reggispinta liscio lubrificato o un cuscinetto di rotolamento con contatto obliquo, oppure un sistema attivo con piattaforma di equilibratura indipendente. I due sistemi, ma soprattutto il sistema passivo, danno luogo ad una lunga catena di quote, talune delle quali sono grandi, come pure a delle deformazioni elastiche molto parzialmente predeterminabili. Da cui derivano delle regolazioni, degli smontaggi, dei ritocchi, dei rimontaggi, che non sono sempre in grado di portare al risultato desiderato.

E' ancora nota una turbopompa di elevata potenza che comprende delle giranti aperte, che ? illustrata nella figura 7 e che era destinata ad equipaggiare il motore denominato XLR 129 il cui sviluppo era stato intrapreso dalla societ? PRATT & WHITNEY.

In tale turbopompa l'albero centrale 122, azionato nella sua parte centrale da un primo stadio di turbina 132 e da un secondo stadio di turbina 133, porta nella sua parte anteriore un induttore 131, come pure una girante aperta 105 di un primo stadio e una girante aperta 155 di un secondo stadio, montati tergo a tergo in opposizione su dei cuscinetti 123, 124. Le giranti 105, 155 portano delle palette 106, 156 che sono prive di una flangia esterna e che si trovano posizionate direttamente di fronte alle pareti spesse della carcassa 101, 102. L'equilibratura assiale viene realizzata mediante uno stantuffo di equilibratura separato 160 che costituisce un regolatore attivo in sforzo, l'albero 122 essendo libero di spostarsi assialmente e posizionandosi in modo tale che la somma degli sforzi assiali sia nulla. A causa della presenza di uno stantuffo di equilibratura separato, ? difficile controllare con precisione i giochi fra le giranti aperte e le facce corrispondenti della carcassa e le perdite'per fuoriuscita di fluido possono essere considerevoli, ci? che impedisce di ottenere un rendimento volumetrico elevato.

Oggetto e descrizione riassuntiva dell?invenzione

La presente invenzione mira a realizzare, per forti sovrapressioni e per una grande portata, una pompa centrifuga con girante aperta che contemporaneamente presenta una semplicit? di fabbricazione, permette di ridurre il numero di stadi della pompa per una data sovrapressione, dato che essa consente delle velocit? periferiche molto elevate, e presenta delle perdite di fuoriuscita limitate in modo da ottenere un rendimento volumetrico pi? elevato delle pompe centrifughe note con girante aperta.,

L'invenzione mira ancora a realizzare una pompa centrifuga con girante aperta utilizzabile sia in applicazioni industriali, sia nell'ambito di turbopompe di elevata potenza come quelle che sono utilizzate in un motore a razzo di un primo stadio di un vettore.

Questi scopi vengono raggiunti grazie ad una pompa centrifuga con girante aperta, per trasportare un liquido di lavoro, che comprende almeno una girante aperta, munita di palette, posizionata all'interno di una carcassa che definisce una canalizzazione di aspirazione, di fronte alla base delle palette situata in vicinanza di un albero centrale di azionamento della girante che fa parte di un gruppo rotante, e una canalizzazione di mandata dotata di un diffusore fisso, disposto di fronte all'estremit? periferica delle palette, caratterizzata dal fatto che essa comprende inoltre un sistema di equilibratura assiale attivo del gruppo rotante, il quale sistema di equilibratura ? integrato alla girante e comprende una camera di equilibratura interposta tra la faccia posteriore del corpo della girante e una parte posteriore esterna della carcassa, la suddetta camera di equilibratura essendo in comunicazione con la suddetta canalizzazione di mandata tramite una prima luce, il cui gioco assiale viene mantenuto invariabile nel funzionamento e che ? definita dall'estremit? periferica della girante che svolge di per se stessa la funzione di piattaforma di equilibratura, e tramite un pezzo di luce solidale con la suddetta parte posteriore esterna della carcassa e interposto fra il diffusore e la suddetta estremit? periferica della girante, la suddetta camera di equi1ibratura essendo in comunicazione direttamente o indirettamente con la canalizzazione di aspirazione della pompa tramite una seconda luce.

Cosi secondo l'invenzione il sistema di equilibratura assiale del rotore, che comprende la girante aperta, ? di tipo attivo e si trova integrato a questa girante che svolge di per se stessa la funzione di stantuffo di equilibratura. Pertanto un riferimento assiale preciso ? disponibile nell'immediata prossimit? della sommit? delle palette della girante.

Secondo l'invenzione la disposizione dei pezzi ? tale che il gioco fra la girante e la carcassa che si trova di fronte ad essa pu? essere determinato mediante un piccolo numero di quote. Le perdite di fuoriuscita possono cosi essere molto ridotte con una pompa centrifuga secondo l'invenzione poich? il gioco fra la faccia anteriore della carcassa e la girante aperta viene pilotato posizionando le regioni periferiche della girante e del pezzo intermedio rispetto alle facce attive della luce superiore del sistema di equi libratura assiale il cui gioco ? molto preciso, servendosi di una catena di quote ridotta al minimo.

Secondo un aspetto importante della presente invenzione, il gioco J fra la girante e la parte anteriore della carcassa ? determinato da una catena di quote limitata all'insieme di una quota J1, definita fra il suddetto pezzo di luce radiale e la suddetta parete anteriore della carcassa che si trova di fronte alle palette, da una quota J12, definita fra il suddetto pezzo di luce e l'estremit? periferica della girante, e una quota J13, definita fra la suddetta estremit? periferica della girante e la faccia anteriore della girante.

La catena di quote ? cosi limitata a tre quote precise, mentre le realizzazioni della tecnica nota comportano eia l'esecuzione di otto quote precise sia il vincolo di adattare il risultato della catena di quote realizzando specificamente a richiesta una zeppa di regolazione dello spessore della girante.

L'invenzione si pu? applicare in particolare ad una turbopompa di elevata potenza per un motore a razzo.

Breve descrizione dei disegni

Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione seguente di una forma particolare di attuazione dell'invenzione fornita a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati nei qualix

la figura 1 ? una vista in semisezione assiale che illustra un sistema di equilibratura assiale attivo integrato alla girante aperta di una pompa centrifuga conformemente alla presente invenzione,

la figura 2 illustra, vista in semisezione assiale, la struttura generale di un esempio di pompa centrifuga con girante aperta secondo l'invenzione, che integra il sistema di equilibratura assiale attivo della figura 1,

la figura 3 illustra, in semisezione assiale, una girante aperta montata in modo classico, con l'indicazione delle diverse quote che contribuiscono a definire il gioco assiale della girante,

la figura A illustra, in semisezione assiale, una girante aperta montata conformemente all'invenzione, con l'indicazione delle diverse quote che contribuiscono a definire il gioco assiale della girante,

le figure 5 e 6 sono dei diagrammi comparativi che fanno comparire le distanze accumulate delle diverse quote che contribuiscono a definire il gioco nel montaggio classico della figura 3 e nel montaggio secondo l'invenzione della figura 4,

la figura 7 ? una vista in sezione assiale di un progetto noto di turbopompa che utilizza due giranti aperte montate in opposizione, e

le figure 8 a 10 rappresentano degli abachi noti che forniscono, per differenti velocit? specifiche, rispettivamente il rendimento volumetrico relativo .in funzione del gioco relativo al livello della girante, la sovrapressione relativa in funzione del gioco a livello della girante e il rendimento volumetrico complementare in funzione della portata, per delle pompe centrifughe.

Descrizione particolareggiata di forme particolari di attuazione

Sar? descritta prima di tutto, con riferimento alle figure 1 e 4, la struttura generale di una pompa centrifuga con girante aperta conforme all'invenzione.

La girante 5, che comprende un corpo sulla cui faccia anteriore sona montate delle palette, viene trascinata in rotazione da un albero centrale 22 montato per mezzo di cuscinetti 23, 24 all'interno di una carcassa 1, 2 che comprende una parte anteriore 1 e una parte posteriore 2. Una canalizzazione di aspirazione 3 ? ricavata nella parte anteriore 1 della carcassa in vicinanza dell'albero centrale 22 per portare in contatto con le palette 6 della girante 5 un fluido ad una pressione PI. Un diffusore 7, montato sulla parte posteriore 2 della carcassa e prolungato da una canalizzazione di mandata 4, ? disposto intorno alla parte periferica delle palette 6 della girante 5 per evacuare tramite una voluta o un toro, non rappresentato nella figura 1, il fluido ad una pressione P2 superiore alla pressione di entrata P1.

Conformemente all'invenzione la girante 5 ? di tipo aperto, cio? nessuna flangia ? montata sulla faccia anteriore della girante, e un sistema di equilibratura assiale attivo del gruppo rotante utilizza la parte posteriore della girante 5 come piattaforma di equilibratura. Cos? una luce 3, che definisce un gioco invariabile in funzionamento J12 (figura 4), ? realizzata nella parte periferica della girante fra un pezzo 71, solidale con la parte posteriore 2 della carcassa o con il diffusore 7, e una parte periferica 51 del corpo di girante 5 che ? posizionata dietro al pezzo 71. La luce 8 realizza una comunicazione del fluido presente all'entrata del diffusore 7 verso una camera 14 che ? situata dietro al corpo della girante 5 e che sbocca alla sua estremit? situata dal lato pi? vicino all'albero 23, attraverso un orifizio calibrato 15.

Un gioco ridotto 13 con valore J ? definito fra la parte anteriore 1 della carcassa 1.2 e le palette 6.

In modo generale, per determinate specifiche di portate di sovrapressione e per una data velocit? di rotazione, ? necessario ridurre ad un livello che permetta di realizzare delle prestazioni accettabili il rapporto J/B fra il gioco J, fra la parete che si trova di fronte alle palette 6 della girant e 5 e la girante 5, e la larghezza o orofondit? B del le palette 6 della girante b, alla periferia di questa.

In pratica l'aumento della larghezza B delle palette 6 all'uscita dalla girante 5 ? limitata, per le giranti con forti sovrapressioni, dalla necessit? di garantire la buona tenuta meccanica di questa girante e il gioco J ha la tendenza ad aumentare quando la velocit? di rotazione aumenta tenuto conto delle deformazioni delle carcasse.

Le figure 8 a 10 illustrano tre abachi noti che illustrano in quale modo, in una pompa centrifuga, il rendimento volumetrico e la sovrapressione sono funzione del gioco relativo J/B, della velocit? specifica e della portata.

Gli abachi delle figure 3 e 9 sono ricavati da una monografia della NASA intitolata "centrifugai flow turbopump?, mentre l'abaco della figura 10 ? ricavato dall'opera "Pump hantibook " di I.J. Karassik, W.C, Krutzch, W,JH? Fraser e J.P. Messina, pubblicato da Me Graw-Hill Gook Company,

Gli abachi delle figure 8 e 9 forniscono rispettivamente, per tre velocit? specifiche differenti che corrispondono a differenti profondit? di estremit? delle palette della girante, il rendimento volumetrico relativo e la sovrapressione relativa di una pompa con girante aperta rispetto ad una pompa con girante munita di una flangia, in funzione del gioco relativo J/B fra il gioco J, fra la parete che si trova di fronte alle palette della girante e la girante, e la profondit? B delle palette della girante alla periferia di questa.

Gli abachi della figura 10 illustrano, per quattro velocit? specifiche differenti Ns, il rendimento volumetrico complementare (1 - ?V) in funzione della portata Q, le velocit? specifiche Ns essendo determinate a partire dalla velocit? di rotazione N della girante espressa in giri/mn, della portata Q espressa in litri/mn e della profondit? B delle palette espressa in cm, mediante la formula:

Ns = <0,154 N ,V?) / <0,077 B3/S

Si noter? che la relazione fra le espressioni della velocit? specifica Ns compaiono negli abachi delle figure 8 e 10 e che la velocit? specifica adimensionale che compare nella tabella comparativa fornita qui di seguito ? la seguente:

Ns = Velocit? specifica adimensionale

2733

A titolo di esempio si indicano d'altra parte nella tabella che segue i valori delle prestazioni da una parte per una pompa che sarebbe costruita in modo classico e dall'altra parte per una pompa realizzata conformemente all'invenzione, con dei valori tipici di pressione Po = 250 bar e di portata So = 50 kg/s.

La tabella seguente permette di constatare i guadagni apportati dall'invenzione per il valore del gioco relativo J/B come pure per il rendimento.

Se si considerano ora pi? particolarmente le figure 3 a 6, si vede che, nel caso di una pompa nota con girante aperta illustrata nella figura 3, nella quale la girante aperta 105 munita di palette 106 ? posizionata direttamente di fronte alla parte anteriore 101 della carcassa 101, 102 e gli sforzi assiali vengono ripresi mediante un cuscinetto di rotolamento 124 interposto fra la parte posteriore 102 della carcassa 101, 102 e l'albero della girante 105, il gioco J fra le palette 106 della girante 105 e la parte anteriore 101 della carcassa 101, 102 ? determinato da una catena vettoriale di 8 quote J1 a JB con tolleranze strette, indicate nella figura

3.

La figura 5 rappresenta la somma D dei moduli dei diversi vettori J1 a J8 che corrispondono alle diverse quote che contribuiscono a definire il gioco J nel caso della realizzazione nota della figura 3 che non utilizza alcun sistema di equilibratura assiale integrato alla girante? Il gioco J ? mal controllato per il fatto che il numero di quote, e dunque di interfacce, ? considerevole e per il fatto che la distanza D ? considerevole. Si possono aumentare sensibilmente le tolleranze delle quote J1 a J? e della quota J3, realizzando una zeppa di regolazione che corrisponda alla quota J8. Ma non si fa altro che sostituire un vincolo con un altro.

La figura 6 mostra al contrario che, nel caso della presente invenzione, quale illustrata nella figura 4, il gioco J fra la girante 5 e il pezzo intermedio 9 ? determinato da un piccolo numero di quote J1, J"I2, J'13. La quota J1 ? definita fra la sporgenza radiale 71 solidale con il diffusore 7 e la parete del pezzo intermedio 9 che si trova di fronte alle palette ?. La quota J1 presenta cosi una posizione che dipende leggermente dalla pressione- La quota J12 ? definita fra la sporgenza radiale 71 solidale con il diffusore 7 e lo spallamento 51 realizzato nella parte periferica del girante 5 e costituisce un gioco invariabile in funzionamento. La quota J13 ? definita fra lo spallamento 51 della girante 5 e la faccia anteriore della girante 5- Come si vede nella figura 6r la distanza accumulata D fra i punti di attacco dei vettori J1, J12 e J13 nello spazio ? molto ridotta e il gioco J pu? essere definito con la massima precisione possibile, grazie all'esistenza di un riferimento assialepreciso nell'immediata prossimit? della sommit? delle palette 6 della girante J, a livello della luce 8.

La figura 2 illustra, a titolo di esempio, una turbopompa che comprende due stadi di turbina 32, 33, un induttore 31 e due cuscinetti 23, 24 di supporto dell'albero 22 di una girante aperta 5 che integra un sistema di equilibratura assiale attivo conformemente al?'invenzione.

L'invenzione si pu? applicare a pompe centri ?. utilizzabili in condizioni di utilizzazione molt?:?

fi titolo di esempio l'inven zione pu? esser in una turbopompa con un solo stadio che presenta una pressione di mandata di 250bar, una portata di 100 kg/s. una spinta assiale di 100 tonnellate e una velocit? periferica della girante di 640 m/s.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pampa centrifuga con girante aperta, per trasportare un liquido di lavoro, che comprende almeno una girante aperta (5) munita di palette (?) posizionata all'interno di una carcassa (1, 2) che definisce una canalizzazione di aspirazione (3) di fronte alla base delle palette (6), situata in vicinanza di un albero centrale (22) di azionamento della girante (5) che fa parte di un gruppo rotante, e una canalizzazione di mandata (4) dotata di un diffusore fisso (7) disposto di fronte all'estremit? periferica delle palette (6), caratterizzata dal fatto che essa comprende inoltre un sistema di equiIibratura assiale attivo (51, 71, 14, 15) del gruppo rotante, il quale sistema di equilibratura ? integrato alla girante (5) e comprende una camera di equilibratura (14) interposta fra la faccia posteriore del corpo della girante (5) e una parte posteriore esterna (2) della carcassa (1, 2), la suddetta camera di equi1ibratura (14) essendo in comunicazione con la suddetta canalizzazione di mandata (4) tramite una prima luce (3), il cui gioco assiale (J12) viene mantenuto invariabile il funzionamento e che ? definito dall'estremit? della girante (5) che svolge di per se stessa la funzione di piattaforma di equilibratura, e tramite un pezzo di luce (71), solidale con la suddetta parte posteriore-esterna (2) della carcassa (1,2) e interposta fra il diffusore (7) e la suddetta estremit? periferica <51) della girante <5)r la suddetta camera di equilibratura essendo in comunicazione direttamente o indirettamente con la canalizzazione di aspirazione della pompa tramite una seconda luce (15). 3. Pompa centrifuga secondo la rivendicazione 1 o la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il gioco (J) fra la girante (5) e la parte anteriore (1) della carcassa (1r 2) ? determinata da una catena di quote limitata al gruppo di una quota (J1), definita fra il suddetto pezzo di luce radiale (71) e la suddetta parete anteriore (1) della carcassa (1, 2) che si trova di fronte alle palette (6), da una quota (J12), definita fra il suddetto pezzo di luce (71) e l'estremit? periferica (51) della girante (5), e da una quota (J13), definita tra la suddetta estremit? periferica (51) della girante e la faccia anteriore della girante (5). 3. Pompa centrifuga secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 e 2, caratterizzata dal fatto che essa ? applicata ad una turbopompa di elevata potenza per un motore a razzo. Si attesta la perfetta conformit? del testo che precede.