IT201600085635A1

IT201600085635A1 - Tenuta per l'asta di un pistone

Info

Publication number: IT201600085635A1
Application number: IT102016000085635A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Bergamini; Alessio Capanni
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-17
Also published as: EP3284940A1; EP3284940B1; US10578090B2; PL3284940T3; US20180051684A1; ES2898057T3

Description

GRUPPO DI TENUTA PER L’ASTA DI UN PISTONE

DESCRIZIONE CAMPO TECNICO

L’oggetto del presente documento si riferisce a un gruppo di tenuta per l’asta di un pistone da utilizzarsi, per esempio, nei compressori alternativi che sono normalmente affetti da problemi di perdite del fluido di processo. Questo gruppo di tenuta è pertanto usato, in particolare, per impedire perdite di fluidi di processo che sono tossici o dannosi per l’ambiente.

SFONDO DELL’INVENZIONE

Le aste dei pistoni convenzionali sono normalmente dotate di gruppi di tenuta definenti una camera, detti gruppi di tenuta avendo una superficie di processo, esposta al fluido di processo, e una superficie interna, che è a contatto con il fluido barriera all’interno di detta camera.

Come illustrato dal documento WO2013182456A1, un gruppo di tenuta può essere dotato di un condotto di ritorno per un fluido barriera. Il condotto di ritorno è collegato a un’entrata e a un’uscita del gruppo. Una pompa è prevista sul condotto di ritorno allo scopo di far ricircolare il fluido barriera dall’uscita all’entrata.

Lo svantaggio principale del tipo di gruppo di tenuta descritto in WO2013182456A1, in cui la pressione del fluido barriera è predeterminata e fissata, è che parte del fluido barriera può entrare nel fluido di processo, soprattutto durante la fase di aspirazione del pistone, aumentando così il consumo di olio del compressore e aumentando potenzialmente la contaminazione del fluido di processo.

Inoltre, indipendentemente dalla pressione di processo, questo progetto richiede intrinsecamente un circuito di ricircolazione per il fluido di processo che attraversa gli interruttori di pressione. Inoltre, la perdita di fluido barriera verso il fluido di processo non è recuperabile.

BREVE DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

Dati gli svantaggi della tecnica anteriore, una prima forma di realizzazione dell’oggetto del presente documento fa riferimento a un nuovo gruppo di tenuta per l’asta di un pistone. Il gruppo comprende una tenuta esterna atta ad essere posta sull’asta di un pistone rivolta verso l’ambiente esterno. Il gruppo comprende altresì una tenuta interna atta ad essere posta sull’asta rivolta verso un cilindro. Le tenute esterna ed interna definiscono in cooperazione l’una con l’altra una camera per il contenimento di fluido barriera. Questa camera ha un’entrata per l’ammissione del fluido barriera e un’uscita per l’uscita del fluido barriera.

Il gruppo comprende altresì un circuito di ricircolazione per il fluido barriera, che è posto in comunicazione fluidica con l’entrata e con l’uscita allo scopo di far ricircolare il fluido barriera dall’uscita all’entrata.

Un dispositivo pressurizzatore è configurato per conferire alla camera una pressione positiva rispetto all’ambiente di processo. Il dispositivo pressurizzatore è configurato per essere installato coassialmente con l’asta del pistone.

Vantaggiosamente, la pressione del fluido barriera all’interno della camera è superiore alla pressione del fluido di processo all’interno del cilindro durante entrambe le corse in avanti e all’indietro del pistone. Inoltre, la pressione all’interno della camera non è costante, ma invece il pressurizzatore mantiene una differenza di pressione costante tra il fluido barriera nella camera e il fluido di processo nell’ambiente di processo, all’interno di detto cilindro.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche, aspetti e vantaggi dell’oggetto del presente documento risulteranno più comprensibili dopo avere letto la seguente descrizione dettagliata, facendo riferimento ai disegni allegati in cui gli stessi numeri di riferimento rappresentano parti uguali in tutti i disegni, in cui:

la figura 1 è una vista in sezione schematica di una prima forma di realizzazione di un gruppo di tenuta per l’asta di un pistone;

la figura 2 è una vista in sezione in prospettiva di un dettaglio del gruppo di tenuta della figura 1;

la figura 3 è una vista in sezione schematica di una seconda forma di realizzazione di un gruppo di tenuta per l’asta di un pistone; e

la figura 4 è una vista in sezione schematica di una terza forma di realizzazione di un gruppo di tenuta per l’asta di un pistone.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Le informazioni che seguono descrivono nel dettaglio varie forme di realizzazione di un nuovo gruppo di tenuta per l’asta di un pistone. Un pistone è un dispositivo che esegue un movimento alternato all’interno di un cilindro, per esempio all’interno dei motori degli autoveicoli o all’interno di compressori alternativi. Poiché il pistone funziona con un fluido di processo che può essere potenzialmente pericoloso, e poiché l’asta del pistone deve essere libera di muoversi in avanti e all’indietro all’interno del cilindro, vi è la necessità di chiudere lo spazio in cui si muove l’asta del pistone, allo scopo di impedire perdite del fluido di processo. È questo lo scopo del gruppo di tenuta.

Facendo riferimento ai disegni allegati, il numero di riferimento 1 indica un gruppo di tenuta per l’asta di un pistone secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Detto gruppo di tenuta 1 è configurato per essere installato su un gruppo pistone 100, che sarà anch’esso descritto brevemente qui di seguito. Detto gruppo pistone 100 comprende un’asta 104 fissata ad un pistone 105, che si sposta all’interno di un cilindro 106. L’asta 104 è di norma prevista in un corpo di cilindro principale 101, che normalmente comprende la scatola di detto pistone 105.

Inoltre, si fa riferimento ad un ambiente di processo “P” che, durante il funzionamento, contiene, oppure è direttamente a contatto con, un fluido di processo, e ad un ambiente esterno “E” che è tipicamente un ambiente che deve essere mantenuto non contaminato dal fluido di processo. Un esempio di un ambiente esterno “E” può essere un ambiente a pressione atmosferica dove utenti ed operatori possono essere direttamente esposti all’ambiente.

Il gruppo di tenuta 1 comprende un recipiente 107, una tenuta interna 3, atta ad essere posta all’interno di detto recipiente 107 e sull’asta 104 rivolta verso il cilindro 106 e a contatto con l’ambiente di processo “P”. Detto recipiente 107 può essere atto ad essere installato su un gruppo pistone 100, ad esempio per modificare una macchina esistente, oppure integrato con detto gruppo pistone 100.

Maggiori dettagli sulla tenuta interna 3 saranno forniti in una parte successiva del presente documento.

Il gruppo di tenuta 1 comprende inoltre una tenuta esterna 2, che è atta ad essere posta all’interno di detto recipiente 107 e sull’asta 104 rivolta verso l’ambiente esterno “E”. Detta tenuta esterna 2 è posta sull’asta 104 più lontana dal cilindro 106 rispetto alla tenuta interna 3.

Detta tenuta esterna 2 e detta tenuta interna 3 definiscono, in cooperazione l’una con l’altra, una camera 4 per il contenimento del fluido barriera. La camera 4 presenta un’entrata 5 per l’ammissione del fluido barriera e un’uscita 6 per l’uscita del fluido barriera. In altri termini, durante il normale funzionamento, il fluido barriera circola all’interno di detta camera 4 dall’entrata 5 all’uscita 6.

In maggiore dettaglio, la camera 4 è definita tra l’asta 104 e il recipiente 107. Pertanto, la camera 4 ha preferibilmente una forma anulare ed è coassiale rispetto all’asta 104 del gruppo pistone 100. Inoltre, occorre notare che, così come illustrato nelle figure allegate, la camera 4 ha un volume variabile. Per questo motivo, la quantità di fluido barriera disponibile all’interno del gruppo di tenuta 1 è in diretta correlazione con il volume della camera 4.

Inoltre, il gruppo di tenuta 1 comprende facoltativamente un circuito di ricircolazione 11 per il fluido barriera. Questo circuito di ricircolazione 11 è posto in comunicazione fluidica con l’entrata 5 e con l’uscita 6 della camera 4, allo scopo di far ricircolare il fluido barriera dall’uscita 6 all’entrata 5.

Occorre notare che, in caso di ridotto carico termico (come per applicazioni con bassa pressione del gas di processo), la dissipazione di calore da parte del fluido barriera per conduzione può essere sufficiente a scopi di raffreddamento. In questo caso, il circuito di ricircolazione 11 non è necessario, e può essere omesso.

In maggiore dettaglio, il circuito di ricircolazione 11 comprende un condotto di ritorno 12 in comunicazione fluidica con l’entrata 5 e con l’uscita 6. Infatti, il condotto di ritorno 12 riporta il fluido barriera dall’uscita 6 all’entrata 5. Uno scambiatore di calore 17 è posto lungo il condotto di ritorno, allo scopo di raffreddare il fluido barriera che esce dalla camera 4. Vantaggiosamente, in questo modo, il fluido barriera può anche espletare la funzione di raffreddamento dell’asta 104 del gruppo pistone 100.

Allo scopo di recuperare il fluido barriera che fuoriesce dalla tenuta esterna 2, il gruppo 1 comprende un collettore 20, posto coassialmente all’asta 14 sul lato della tenuta esterna 2 opposta alla camera 4. Un anello raschiaolio 18 è posto all’interno del collettore 20, come illustrato ad esempio in figura 2.

Il circuito di ricircolazione 11 può anche comprendere un condotto di drenaggio 19, che è posto in comunicazione fluidica con il collettore 20 e con il condotto di ritorno 12, in particolare a monte dello scambiatore di calore 17. Pertanto, il fluido barriera che è raccolto a partire dall’asta 14 dall’anello raschiaolio 18 scorre all’interno del condotto di drenaggio 19 e torna nel condotto di ritorno 12. In maggiore dettaglio, il circuito di ricircolazione comprende una pompa integrativa 21 posta sul condotto di drenaggio 19 a valle del collettore 20. Un’ulteriore valvola anti-ritorno 22 è posta a valle della pompa integrativa 21, garantendo che il fluido barriera non possa passare dal condotto di ritorno 12 ed entrare nel condotto di drenaggio 19.

Il circuito di ricircolazione 11 può anche comprendere un dispositivo anti-riflusso 13 posto sul condotto di ritorno 12 per impedire al fluido barriera di scorrere all’indietro sul condotto di ritorno 12 dall’entrata 5 all’uscita 6 della camera 4.

Nelle forme di realizzazione illustrate nelle figure 1 e 4, il dispositivo anti-riflusso 13 comprende una pompa 14 posta sul condotto di ritorno 12 per spostare il fluido barriera dall’uscita 6 all’entrata 5 della camera 4.

Nella forma di realizzazione della figura 3, il dispositivo anti-riflusso 12 comprende una valvola anti-ritorno 15 posta sul condotto di ritorno 12 e configurata per consentire al fluido barriera di scorrere lungo il condotto di ritorno 12 dall’uscita 6 all’entrata 5 della camera 4. Pertanto, in questo caso, la pressione necessaria a garantire la circolazione del fluido barriera è fornita dalla corsa in avanti del gruppo pistone 100, che crea un piccolo gradiente di pressione all’interno della camera 4.

Un dispositivo pressurizzatore 7 è configurato per conferire alla camera 4 una pressione positiva rispetto all’ambiente di processo “P”. In particolare, come illustrato nelle figure 1, 2, 3 e 4, il pressurizzatore 7 è configurato per essere installato coassialmente con l’asta del pistone 104. Il pressurizzatore 7 fornisce una differenza di pressione positiva tra la camera 4 e l’ambiente di processo “P”. In altre parole, durante il normale funzionamento, la pressione del fluido barriera all’interno della camera 4 è maggiore della pressione del fluido di processo all’interno del cilindro 106 durante la corsa in avanti e durante la corsa all’indietro del gruppo pistone 100, così da impedire qualsiasi fuoriuscita del fluido di processo verso la camera 4. Occorre notare che la pressione all’interno della camera 4 non è costante, ma invece il pressurizzatore 7 mantiene una differenza di pressione costante tra il fluido barriera nella camera 4 e il fluido di processo nell’ambiente di processo “P”, in particolare all’interno del cilindro 106.

In maggiore dettaglio e con riferimento alla figura allegata 2, il pressurizzatore 7 comprende un pistone di tenuta 8. Il pistone di tenuta 8 ha lo scopo di applicare una forza aggiuntiva al fluido barriera allo scopo di mantenerlo ad una pressione sufficientemente elevata. In particolare, il pistone di tenuta 8 ha una superficie di processo 8a configurata per essere rivolta verso l’ambiente di processo “P”. Il pistone di tenuta 8 presenta una superficie interna 8b, che è configurata per entrare in contatto con il fluido barriera all’interno della camera 4.

Secondo le forme di realizzazione dell’invenzione illustrate nelle figure 1, 2, 3 e 4, il pistone di tenuta 8 definisce almeno parzialmente la camera 4. Pertanto, in questo caso, la superficie interna 8b del pistone di tenuta 8 definisce anche parzialmente la camera 4. Di conseguenza, la tenuta interna 3 comprende una prima tenuta interna 3a, posta tra il pistone di tenuta 8 e detto recipiente 107, e una seconda tenuta interna 3b tra il pistone di tenuta 8 e detta asta 104. La tenuta esterna 2, a sua volta, comprende una prima tenuta esterna 2a, posta tra il pistone di tenuta 8 e detto recipiente 107, e una seconda tenuta esterna 2b tra il pistone di tenuta 8 e detta asta 104.

Vantaggiosamente, in una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, detta prima tenuta interna 3a, detta seconda tenuta interna 3b, detta prima tenuta esterna 2a e detta seconda tenuta esterna 2b possono essere realizzate in due metà allo scopo di facilitarne la manutenzione e la sostituzione, senza necessitare del completo smontaggio del sistema.

In maggiore dettaglio, nelle forme di realizzazione preferite dell’invenzione illustrate nelle figure 1, 2, 3 e 4, il pressurizzatore 7 comprende una molla 9 che agisce sul pistone di tenuta 8. La molla 9 è configurata per fornire una forza sul pistone di tenuta 8 che si aggiunge alla pressione di processo. Nello specifico, nelle forme di realizzazione illustrate nelle figure, la molla 9 è posta all’interno della camera 4. In particolare, la molla 9 è posta coassialmente rispetto all’asta 104. In questi casi, la molla 9 applica la sua forza elastica sulla superficie interna 8b del pistone di tenuta 8. La molla 9 è anche collegata alla superficie rivolta verso l’esterno della camera 4 posta sulla tenuta esterna 2.

Durante il funzionamento, la molla 9 è precaricata quando la camera 4 è riempita con il fluido barriera. In altre parole, il flusso verso l’interno del fluido barriera all’interno della camera 4 spinge il pistone di tenuta 8 verso il cilindro 106, preestendendo in questo modo la molla 9. Il risultato di questo precarico è l’applicazione di una forza elastica sul pistone di tenuta 8 come spiegato sopra. In ulteriori forme di realizzazione, non illustrate nei disegni, la molla 9 è posta all’esterno della camera 4, tra il pistone di tenuta 8 e il cilindro 106. In questo caso, la molla 9 è pre-compressa quando la camera 4 è riempita con il fluido barriera.

Inoltre, come illustrato in figura 4, il gruppo 1 può comprendere uno o più interruttori di pressione 16 posti preferibilmente tra la tenuta interna 3 e il cilindro 106. Detto interruttore di pressione 16 può essere dotato di una camera tampone di gas o di qualunque altro dispositivo noto nella tecnica e atto a rallentare il flusso del gas verso il basso verso l’asta nella corsa di aspirazione. L’aggiunta di detto interruttore di pressione 16 può allargare vantaggiosamente l’intervallo di pressione in cui il gruppo 1 secondo la presente invenzione può essere impiegato. La descrizione di cui sopra di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. I numeri di riferimento uguali nei diversi disegni identificano elementi uguali o simili. Il riferimento in tutto il presente documento a “una forma di realizzazione” indica che una particolare caratteristica, struttura, o peculiarità descritta in relazione a una forma di realizzazione è inclusa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Così, la comparsa di frasi come “in una forma di realizzazione” in svariati punti all’interno del documento non si riferisce necessariamente alla medesima forma di realizzazione. Inoltre, le particolari caratteristiche, strutture o peculiarità possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione. La descrizione dettagliata di cui sopra non limita la portata dell’invenzione rivendicata. Invece, la portata dell’invenzione è definita dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Gruppo di tenuta (1) per l’asta di un pistone (104), il gruppo di tenuta (1) comprendendo: un recipiente (107), una tenuta esterna (2) atta ad essere posta all’interno di detto recipiente (107) e sull’asta di un pistone (104) rivolta verso un ambiente esterno (E); una tenuta interna (3) atta ad essere posta all’interno di detto recipiente (107) e sull’asta (104) rivolta verso un cilindro (106), in cui il recipiente (107), la tenuta esterna (2) e la tenuta interna (3) definiscono in collaborazione l’uno con l’altro una camera (4) per il contenimento del fluido barriera, in cui la camera (4) ha un’entrata (5) per l’ammissione del fluido barriera e un’uscita (6) per l’uscita del fluido barriera; un circuito di ricircolazione (11) per il fluido barriera, il circuito di ricircolazione (11) essendo posto in comunicazione fluidica con l’entrata (5) e l’uscita (6) per far ricircolare il fluido barriera dall’uscita (6) di nuovo all’entrata (5); e un dispositivo pressurizzatore (7) configurato per conferire alla camera (4) una pressione positiva rispetto all’ambiente di processo (P), in cui il dispositivo pressurizzatore (7) è configurato per essere installato coassialmente con l’asta del pistone (104).
2. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui il pressurizzatore (7) comprende un pistone di tenuta (8) che definisce almeno parzialmente la camera (4), il pistone di tenuta (8) avendo una superficie di processo (8a) configurata per essere rivolta verso il cilindro (106) e una superficie interna (8b) configurata per essere a contatto con il fluido barriera, la tenuta interna (3) essendo posta sul pistone di tenuta (8).
3. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 2, in cui la tenuta interna (3) comprende una prima tenuta interna (3a), posta tra il pistone di tenuta (8) e detto recipiente (107), e una seconda tenuta interna (3b) tra il pistone di tenuta (8) e detta asta (104) e in cui la tenuta esterna (2) comprende una prima tenuta esterna (2a), posta tra il pistone di tenuta (8) e detto recipiente (107), e una seconda tenuta esterna (2b) tra il pistone di tenuta (8) e detta asta (104).
4. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui detta prima tenuta interna (3a), detta seconda tenuta interna (3b), detta prima tenuta esterna (2a) e detta seconda tenuta esterna (2b) sono realizzate in due metà allo scopo di facilitarne la manutenzione e la sostituzione.
5. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui il pressurizzatore (7) comprende una molla (9) che agisce sul pistone di tenuta (8) ed è configurata per fornire una forza sul pistone di tenuta (8) che si aggiunge alla pressione di processo.
6. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui detta molla (9) è configurata per fornire una forza applicata sulla superficie interna (8b) del pistone di tenuta (8).
7. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 5 a 6, in cui la molla (9) è configurata per essere estesa dal flusso verso l’interno del fluido barriera all’interno della camera (4).
8. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 5 a 7, in cui la molla (9) è posta all’esterno della camera (4) tra il pistone di tenuta (8) e il cilindro (106).
9. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui il circuito di ricircolazione (11) comprende un condotto di ritorno (12) in comunicazione fluidica con l’entrata (5) e con l’uscita (6).
10. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui detto condotto di ritorno (12) comprende inoltre uno scambiatore di calore (17) atto a raffreddare il fluido barriera che esce dalla camera (4).
11. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui il circuito di ricircolazione (11) comprende un dispositivo anti-riflusso (13) posto sul condotto di ritorno (12) per impedire al fluido barriera di scorrere sul condotto di ritorno (12) all’indietro dall’entrata (5) all’uscita (6) della camera (4).
12. Gruppo di tenuta (1) secondo la precedente rivendicazione, in cui il dispositivo anti-riflusso (13) comprende una pompa (14) posta sul condotto di ritorno (12) per spostare il fluido barriera dall’uscita (6) all’entrata (5) della camera (4).
13. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 11 a 12, in cui il dispositivo anti-riflusso (13) comprende una valvola anti-ritorno (15) posta sul condotto di ritorno (12) e configurata per consentire al fluido barriera di scorrere lungo il condotto di ritorno (12) dall’uscita (6) all’entrata (5) della camera (4).
14. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, in cui detto circuito di ricircolazione (11) comprende anche un condotto di drenaggio (19), che è posto in comunicazione fluidica con il collettore (20) e con il condotto di ritorno (12).
15. Gruppo di tenuta (1) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, comprendente uno o più interruttori di pressione (16) posti tra la tenuta interna (3) e il cilindro (106).
16. Gruppo pistone (100) comprendente un pistone (105) inserito in un cilindro (106); un’asta (104) fissata alla testa (103); un gruppo di tenuta (1) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui il gruppo di tenuta (1) è installato sull’asta (104).