COMPRESSORE
COMPRESSORE (XI, p. 8; App. II, 1, p. 664)
Nel periodo 1948-76 si è registrato un cospicuo sviluppo in tutte le categorie di c., ma specialmente nei c. centrifughi e assiali (turbocompressori) e nei c. alternativi a stantuffo per elevate prestazioni e impieghi speciali. L'evoluzione è stata caratterizzata sia da una progressiva acquisizione di perfezionamenti tecnici e tecnologici di carattere generale, sia dallo sviluppo e dall'affermazione di nuovi modelli di macchine nei nuovi campi d'impiego industriale. Considerevole è stato l'ampliamento dei campi di applicazione dei c. per poter soddisfare alle esigenze poste dagl'impianti di rigasificazione del gas naturale liquefatto, per la reiniezione di gas naturale a pressioni dell'ordine di 400 a 500 bar in zone desertiche, per vari impieghi multiservice nell'industria petrolchimica, per gl'impianti di sintesi, di riciclaggio e per gl'impianti frigoriferi e di liquefazione.
Il concetto della creazione di macchine packaged si è imposto in vari settori, richiedenti la maggiore possibile riduzione d'ingombro, sia in pianta, sia in elevazione, specialmente nelle stazioni di compressione e ricompressione del gas naturale, nei campi di produzione del gas, sia offshore e sia onshore, lungo i gasdotti e le grandi reti di distribuzione. E a esso si è affiancato e affermato un altro criterio tecnico: quello di prevedere, in sede d'ideazione del c., la possibilità d'inserirvi, nell'applicazione industriale, un diverso numero di stadi e di giranti senza dover cambiare la cassa e gli organi accessori. In Tav. f. t. sono state riportate alcune vedute di un impianto di compressione, sia per aria, sia per gas naturale, della categoria packaged, propulso mediante una turbina azionata da un generatore di gas Rolls Roice Avon, di largo impiego sulla rete dei gasdotti olandesi. Da ricordare anche il turbomotore a gas Nuovo Pignone-Gen. El. del modello 3000, d'impiego molto diffuso nelle stazioni di compressione e ricompressione del gas naturale lungo i grandi metanodotti statunitensi ed europei, del tipo packaged and automated (compatto e automatizzato) a costruzione modulare.
La distanza fra le stazioni di compressione e il valore del rapporto di compressione del gas naturale, per ciascuna di esse, vengono stabiliti in base a un calcolo di ottimizzazione, che tiene conto dei seguenti parametri: costo d'installazione, fattore annuale di carico della stazione, costi di esercizio, spese fisse (tasse e spese generali dell'azienda distributrice e trasportatrice) e prevedibile incremento futuro del fabbisogno di gas naturale. Una stazione di compressione consta, in generale, di un impianto motore, del o dei c., di un complesso di emergenza, dei circuiti delle tubazioni d'aria e del gas compresso, dell'acqua e dell'olio per la lubrificazione, dei circuiti elettrici, delle apparecchiature antincendio, dei quadri di controllo e manovra e di un'officina meccanica.
L'introduzione e la diffusione di stazioni compatte e automatizzate, a componenti modulari, ha contribuito considerevolmente a contenerne i costi sia d'installazione sia operativi.
Il diagramma in fig. 1 indica il confronto fra le caratteristiche tecniche di compressione (rapporto di compressione/numero di stadi del c.) per l'aria e per il gas naturale di usuale composizione.
Nella fig. 2 sono schematicamente raffigurate le diverse categorie di motocompressori alternativi a stantuffo impiegabili nelle stazioni di compressione di minore (piccola e media) potenzialità; rispettivamente: A indica i motocompressori con struttura a L (motore verticale; c. orizzontale); B i c. con cilindri disposti a V; C i c. con cilindri verticali; D i c. con cilindri orizzontali, azionabili con motori a gas o con motori elettrici. In Tav. f. t. sono date due sezioni di un c. alternativo a stantuffo della categoria denominata boxer, a cilindri contrapposti e con albero a gomiti comune.
Le prestazioni dei turbomotori a gas (che constano di un turbocompressore assiale multistadio e di un turbomotore anch'esso a più elementi in serie con interposti combustori, illustrati in Tav. f. t.) sono strettamente dipendenti dalle caratteristiche tecnologiche del combustibile che essi bruciano; tali caratteristiche sono le più elevate possibili quando si brucia gas naturale, il quale consente di salire sino a valori dell'ordine dei 925 °C all'ingresso del palettaggio del primo elemento del turbomotore; mentre bruciando oli combustibili non conviene superare i 730 ÷ 760 °C a causa dei pericoli di forti erosioni e corrosioni dei palettaggi. Le pale giranti del primo elemento vengono eseguite cave e fatte attraversare da una corrente d'aria refrigerante. I diagrammi tracciati nelle figg. 3A e 3B, che si riferiscono a un elemento o stadio del c. (formato con un palettaggio distributore e un palettaggio girante in serie) pongono in risalto le configurazioni dei diagrammi triangolari delle velocità a monte e a valle della corona palare girante (rotore) e, sul diagramma in coordinate entalpie/entropie, l'andamento della trasformazione di stato dell'aria in compressione; quelli nelle figg. 3C e 3D, le analoghe, ma invertite caratteristiche tecniche, per un elemento o stadio del turbomotore. In fig. 4 sono illustrate due palette per c. assiali (A e B) e due palette per turbina a gas (C e D).
Mentre i c. centrifughi e assiali (turbocompressori) operano a pressione all'incirca costante e a volume (portata volumetrica) variabile, quelli alternativi a stantuffo funzionano a volume costante e a pressione variabile con limite superiore posto dalla potenza massima erogabile dal motore di azionamento. I turbocompressori sono soggetti a fenomeni d'instabilità di flusso e di pompaggio in un certo campo del loro diagramma di funzionamento (diagramma in coordinate pressioni/portate in volume), che deve evitarsi con adatti accorgimenti.
Sia per le stazioni di compressione di gas naturale, sia in varie altre applicazioni industriali nelle quali sono richieste compressioni relativamente moderate vengono impiegati c. centrifughi radiali monostadio, designati booster con terminologia statunitense, molto frequentemente a introduzione bilaterale e, quindi, corredati di girante a duplice introduzione. Quest'adozione consente di mantenere la velocità di rotazione del c. nel campo di variabilità del numero dei giri dei turbomotori (a gas oppure a vapore) che li azionano, permettendo un collegamento diretto delle due macchine.
Le costruzioni odierne sono in prevalenza delle costruzioni di serie con casse divise in due metà secondo un piano orizzontale o verticale, per macchine sia monostadio, sia pluristadio. Ciascun tipo di c. viene ideato e costruito in un numero di modelli (in generale 10 ÷ 15), che si differenziano per il valore del diametro delle giranti, per il numero di stadi (usualmente da 2 a 9 nelle macchine pluristadio) imposto dai valori richiesti per il rapporto di compressione e dalle caratteristiche fisiche del gas da comprimere (cfr. il diagramma in fig. 1). I supporti portanti sono generalmente a cuscinetti lisci; quelli di spinta a settori con pattini oscillanti. Le tenute terminali dell'albero sono a sigillo d'olio, oppure a labirinti o con sigillo meccanico; quelle intermedie fra i diversi stadi del c. sono, in generale, delle tenute a labirinti.
In relazione alle esigenze specifiche dei vari campi applicativi, i c. centrifughi e assiali odierni presentano una vasta gamma di tipi e modelli costruttivi aventi caratteristiche costruttive e di funzionamento differenziate per i vari servizi da assolvere. I c. centrifughi per i servizi di gasdotto vengono abitualmente montati su un basamento comune agli ausiliari, quali le pompe dell'olio, i serbatoi dell'olio, i dispositivi e apparecchi di emergenza, i pannelli con gli strumenti di controllo, di regolazione e, se la stazione è di tipo automatico, di telecomando e di telemisura. Similari sono i c. centrifughi impiegati per i servizi di convogliamento del gas naturale nei campi di produzione, sia del tipo onshore, sia del tipo offshore. In dipendenza del fatto che le pressioni del gas alla testata dei pozzi produttivi decrescono al declinare della produzione, questi c. debbono essere suscettibili, con lievi modifiche degli organi interni, di corrispondere a mutabili esigenze per le prestazioni di compressione. La fig. 5A è una veduta in sezione longitudinale di un turbocompressore centrifugo di tipo unificato (sigla PCL) della Nuovo Pignone con due elementi o stadi in serie nella cassa; le diverse figg. 5B, 5C e 5D indicano come, senza dover cambiare la cassa e gli organi interni di costruzione unificata (segnati in azzurro sui disegni), vi si possano, a seconda delle esigenze del servizio, inserire i rotori e i diaframmi intermedi di uno, due o tre stadi di compressione (tinteggiati in verde sui disegni in figura). Appositi distanziatori vi vengono introdotti quando non sono richiesti tutti gli stadi operativi del c.; l'adozione di acciaio forgiato per la cassa mette al sicuro da porosità nella fusione e dà stabilità metallurgica e buona resistenza strutturale; le flange delle bocche d'introduzione e di mandata del c. sono flange di dimensioni unificate in armonia coi diametri delle tubazioni del gasdotto; le giranti sono eseguite in costruzioni saldate; il sistema diaframmi-rotori è spostabile assialmente nella cassa del c.; una volta che la girante o le giranti sono in posto, i due semidiaframmi sono bullonati a costituire un pezzo unico.
Le acciaierie richiedono odiernamente grandi quantitativi di ossigeno compresso, a pressioni dai 30 ai 60 bar e, quindi, turbocompressori centrifughi a due o tre corpi disposti in serie con refrigeratori intermedi del fluido in compressione, in guisa da non superare temperature dell'ordine dei 160 °C. In ogni corpo della macchina vengono montati schiena a schiena due giranti in maniera da ottenervi il bilanciamento delle spinte assiali. Gli organi interni debbono venire tutti eseguiti in metalli anticorrosivi e antiusura e così pure i refrigeratori intermedi e i vari dispositivi di regolazione. Per questa categoria, i turbocompressori debbono, quindi, essere delle costruzioni speciali di tipo tecnologicamente progredito per ben rispondere alle esigenze di tale servizio.
Le tenute principali della macchina, per motivi di sicurezza, debbono formare un sistema combinato di estrazione forzata e d'iniezione, tale da offrire completa garanzia rispetto a eventuali sfuggite di ossigeno all'esterno e da evitare, nel contempo, qualsiasi contaminazione dell'ossigeno puro da parte di olio, aria e altri agenti esterni inquinanti. Le velocità del gas vengono contenute entro un limite di 25 m/sec. Il funzionamento di questi c. è generalmente automatizzato e la loro installazione è all'aperto.
In varie applicazioni industriali sono necessarie bocche intermedie di mandata e di rientro del fluido in compressione nella macchina, per poterla raccordare a refrigeratori intermedi. I turbocompressori multistadio corredati di due o più refrigeratori intermedi del gas in compressione, operanti in serie dopo ciascun stadio, vengono designati convenzionalmente c. isotermici; essi vengono adoperati in impianti di frazionamento, in impianti chimici e petrolchimici di sintesi e in impianti frigoriferi, nonché negl'impianti di processo dell'urea. Questi turbocompressori vengono usualmente corredati di 4 ÷ 5 stadi, se adoperati a comprimere aria o azoto sino a pressioni di 15 o più bar. I refrigeratori intermedi sono formati con tubi nervati, facilmente rimuovibili con estrazione dall'alto della cassa. A valle di ciascun refrigeratore deve venir posto un separatore di umidità (separatore di condensa). Le esecuzioni odierne di questa categoria di c. si caratterizzano per elevate rese termodinamiche, limitato ingombro e fondazioni relativamente leggere e poco costose.
I turbocompressori per gl'impianti chimici di sintesi possono suddividersi in tre gruppi a seconda dei valori della pressione richiesta alla mandata: sino a 100 bar, da 100 a 200 bar e per pressioni sino a 350 bar e oltre. Si tratta di macchine a 2, 3 o 4 corpi in serie con interposti refrigeratori, azionati, in generale, da un unico motore di potenza sino ai 25 MW. L'ultimo corpo contiene anche uno stadio di compressione per il riciclaggio. In Tav. f. t. è data una veduta prospettica sezionata di uno di questi turbocompressori (il modello di sigla 230 L 306/b della Nuovo Pignone) atto a compressioni sino ai 350 bar. Ha la cassa foggiata a barile, con due coperchi di estremità, eseguita in acciaio forgiato e con il complesso rotorico (albero e giranti) e i diaframmi intermedi con diffusori del tipo a vortice libero. Le tenute sono a labirinti; la cassa viene appoggiata con quattro sostegni situati in corrispondenza del piano orizzontale di mezzeria ed è corredata di dispositivi di allineamento con chiavette longitudinali e trasversali. Le giranti vengono fabbricate con il procedimento tecnologico dell'elettroerosione dal pieno in quanto sono richiesti condotti giranti molto stretti.
Gl'impianti di etilene, nel campo della petrolchimica, richiedono la compressione del gas di carica e dell'etilene e del propilene nei circuiti di refrigerazione. I turbocompressori per questo servizio sono a due o tre corpi in serie, ciascuno a 4 0 a 5 stadi e per pressioni finali di mandata di circa 40 bar. Occorre evitare la possibilità che si formino depositi di polimeri, che possono causare sbilanciamenti dinamici nel c. e fenomeni vibrazionali pericolosi, sicché all'introduzione delle giranti dei vari stadi di compressione vengono posti degl'iniettori di lavaggio. Le giranti da impiegarvi debbono essere di un disegno speciale, adatto per gli alti numeri di Mach che v'intervengono all'introduzione in dipendenza di un basso valore per la velocità del suono nel mezzo.
Per tutte le categorie di turbocompressori dianzi considerati sono stati realizzati notevoli progressi nell'attuazione di sistemi e dispositivi di regolazione antipompaggio con l'introduzione di operatori elettronici.
Gl'impianti di polietilene richiedono elevatissime compressioni e speciali accorgimenti tecnici in relazione all'elevata infiammabilità del gas. I c. adoperati in questi impianti sono macchine alternative a stantuffo corredate di manovellismo di spinta rotativa d'ideazione particolare e da eseguire in materiali costruttivi speciali. La fig. 6 mostra la soluzione costruttiva ideata dalla Nuovo Pignune, consistente nell'adozione di un solo testa a croce per coppia di cilindri del c. di disegno speciale, molto robusto e con superfici di scorrimento nei piani verticale e orizzontale in guisa da assicurare un moto esattamente guidato in linea retta per i pistoni; risultano evitate sollecitazioni di flessione, che possono ingenerarvi disturbi di funzionamento e rotture durante l'esercizio. Le pressioni di mandata raggiungono valori dell'ordine dei 3500 bar.
Coi turbocompressori sono raggiungibili odiernamente pressioni di mandata sin verso gli 800 bar e vi si possono comprimere portate fluide anche relativamente esigue facendo ricorso all'impiego di giranti a canali strettissimi, ricavabili dal pieno col procedimento dell'elettroerosione e col ricorso a tecnologie costruttive speciali. I motocompressori alternativi possono raggiungere potenzialità sin verso i 5 MW, impiegandovi motori con numero di cilindri sino a 20.
La recente realizzazione di sonde aerodinamiche miniaturizzate di buona precisione consente attualmente di analizzare dettagliatamente il campo di velocítà delle correnti gassose fluenti nei condotti giranti e in quelli fissi dei turbocompressori, perfezionandone la trattazione teorica e i procedimenti di progettazione e di calcolo.
Vedi tav. f. t.
Bibl.: B. Eckert, Axial und Radial Kompressoren, Berlino, Gottinga, Heidelberg 1961; M. Medici, La progettazione delle macchine termiche, Padova 1966; W. Traupel, Thermische Turbomaschinen, Berlino, Gottinga, Heidelberg, 1966; J. H. Horloch, Axial compressors, 1967; Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, II°, 1970; W. Pohlenz, Pumpen für Gase, Berlino 1974.