IT201600125105A1 - Elemento per tenuta meccanica e tenuta meccanica - Google Patents

Description

21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B)

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DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“ELEMENTO PER TENUTA MECCANICA E TENUTA MECCANICA”

A nome: FLUITEN ITALIA S.P.A.

Via G.Cesare Procaccini, 22

20154 MILANO MI

Mandatari: Ing. Simona INCHINGALO, Albo iscr. nr.1341 B, Ing. Dario ALDE, Albo iscr. nr.1338 B, Ing. Marco BELLASIO, Albo iscr. nr.1088 B, Ing. Giancarlo BELLONI, Albo iscr. nr.1113B, D.ssa Cristina BIGGI, Albo iscr. nr.1239 B, D.ssa Michela ERRICO, Albo iscr. nr.1520 B, Ing. Giancarlo PENZA, Albo iscr. nr.1335 B, D.ssa Elena ROSSETTI, Albo iscr. nr.1124B, Ing. Ugo ROSSI, Albo iscr. nr.1209B, Elio Fabrizio TANSINI, Albo iscr. nr.697 BM, Ing. Luigi TARABBIA, Albo iscr. nr.1005 BM, Ing. Lucia VITTORANGELI, Albo iscr. nr.983 BM, Ing. Umberto ZERMANI, Albo iscr. nr.1518 B

* ;La presente invenzione ha per oggetto un elemento per una tenuta meccanica. ;Le tenute meccaniche sono dei dispositivi applicabili ad alberi rotanti per impedire trafilamenti di fluidi e in grado di resistere ad elevate pressioni e ;5 sollecitazioni meccaniche. ;Le tenute meccaniche sono utilizzabili, ad esempio, nelle pompe centrifughe e nelle imbarcazioni a motore nelle quali l’albero trasmette il moto rotatorio dal motore, posto all’interno dell’imbarcazione, all’elica, completamente immersa nell’acqua, per impedire l’ingresso di liquido ;10 all’interno dell’imbarcazione attraverso il passaggio dell’albero motore. ;Oggigiorno, la tenuta meccanica è realizzata da una coppia di corpi anulari, uno stazionario e uno rotante di tenuta, posti intorno ad un albero motore e in moto relativo uno rispetto all’altro quando l’albero motore è 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;2 ;;azionato; i due corpi anulari sono coassiali e accoppiati frontalmente in modo tale che una faccia a corona circolare di uno sia a contatto con quella del corpo anulare adiacente. ;Il corpo anulare rotante viene mantenuto a contatto con quello stazionario 5 tramite una serie di molle e dalla pressione del fluido da tenere, che lo spingono assialmente contro il corpo stazionario. ;Durante la rotazione, una minima quantità di fluido, sufficiente per lubrificare ed evitare surriscaldamenti, trafila attraverso i due corpi anulari senza tuttavia fuoriuscire nell’ambiente che deve essere isolato. ;10 Le molle sono impaccate tra un corpo anulare principale e un anello reggispinta, collegato coassialmente al primo in modo tale da essere libero di compiere una traslazione limitata e controllata in direzione assiale, dove per direzione assiale si intende la direzione dell’asse passante per il centro di simmetria degli anelli e parallela all’asse di rotazione dell’albero 15 motore. ;Infine, almeno una guarnizione anulare, come ad esempio un O-ring o simile, è posta intorno all’albero per generare la tenuta sull’albero. ;Le tenute devono essere bilanciate idraulicamente. ;Le norme ammettono un certo grado di trafilamento di liquido tra le face 20 dei due anelli contrapposti. Il liquido che trafila tra le facce tende a separarle: tale forza è contrastata ed equilibrata dalla spinta del liquido esercitata sull’altra faccia dei due corpi anulari. ;Può capitare che l’elevato attrito tra le superfici a contatto generi un notevole riscaldamento che può far evaporare il liquido che trafila tra di 25 esse, impedendo di accorgersi di eventuali notevoli perdite. Questo può provocare, col tempo, la rottura della tenuta stessa. ;L’ideale è che si crei un equilibrio delle forze di spinta che agiscono sugli elementi della tenuta per cui trafili un film liquido che lubrifica le facce senza creare perdite di liquido. ;30 Altro inconveniente che si verifica soprattutto in fase di avviamento è dovuto al distacco tra le facce. In assenza di movimento, le molle di spinta 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;3 ;;tendono a premere una faccia contro l’altra, generando pressioni molto elevate che impacchettano tra di loro gli anelli adiacenti. Bisogna considerare, infatti, che le tenute meccaniche soffrono molto dello start up: l’anello rotante e quello stazionario sono normalmente compressi e 5 impaccati tra di loro anche a riposo, poiché le molle, e a volte anche il fluido in pressione, spingono l’anello rotante contro quello stazionario. Solo quando l’albero motore è in rotazione una piccola quantità di fluido si interpone tra i due anelli lubrificandoli. Quando l’albero è fermo, invece, manca completamente qualsiasi tipo di lubrificazione. ;10 L’attrito di primo distacco è altissimo e perciò la superficie di tenuta o di strisciamento è soggetta a grande sollecitazione proprio durante questa fase. ;Scopo della presente invenzione mettere a disposizione un elemento per una tenuta meccanica e una tenuta meccanica che superi gli inconvenienti 15 della tecnica anteriore descritta. ;E’ pertanto scopo della presente invenzione mettere a disposizione un elemento per una tenuta meccanica che prolunghi la vita della tenuta meccanica stessa. ;E’ altresì scopo dell’invenzione mettere a disposizione un elemento per 20 una tenuta meccanica che lubrifichi costantemente le superfici a contatto evitando problemi soprattutto in fase di avviamento. ;Ulteriore scopo della presente invenzione è realizzare una tenuta meccanica bilanciata idraulicamente ed inoltre che eviti perdite incontrollate di liquido, che garantisca quindi l’equilibrio tra le forze di 25 spinta, che tende a chiudere le facce l’una sull’altra, esercitate dal fluido sulle parti meccaniche della tenuta e la forza contraria esercitata dal fluido tra le facce a contatto, attraverso le quali il fluido stesso trafila, che tende ad allontanare le facce l’una dall’altra. ;Questi ed altri scopi sono sostanzialmente raggiunti da un elemento per 30 tenuta meccanica e da una tenuta meccanica secondo quanto descritto in una o più delle unite rivendicazioni. ;21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;4 ;;Ulteriori caratteristiche e vantaggi appariranno maggiormente chiari dalla descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita e non esclusiva di un elemento per tenuta meccanica e di una tenuta meccanica secondo la presente invenzione. ;5 Tale descrizione è fornita con riferimento alle unite figure, anch’esse aventi scopo puramente esemplificativo e pertanto non limitativo, in cui: - la figura 1 è una vista schematica in sezione laterale di metà di una tenuta meccanica secondo quanto descritto nella presente invenzione e calettata su un albero motore; ;10 - la figura 2 è una vista frontale di un elemento per tenuta meccanica in accordo con la presente invenzione; ;- la figura 3 è una vista frontale di un elemento per tenuta meccanica in accordo con la presente invenzione secondo una forma realizzativa alternativa. ;15 Con riferimento alle figure sopra descritte, con 1 si è indicata una tenuta meccanica in accordo con quanto descritto nella presente invenzione. In figura 1 è illustrata solo una parte della tenuta meccanica 1 oggetto della presente invenzione, calettata sopra un albero motore 2. ;Come visibile in figura 1, la tenuta meccanica 1 è vincolata all’albero 20 motore con il quale è obbligata a ruotare attorno all’asse di rotazione 2a, coincidente con l’asse di simmetria centrale 1a o di rotazione della tenuta meccanica stessa 1. In tale figura è altresì visibile una parte statica, in particolare un anello stazionario 3, contro il quale la tenuta meccanica 1 striscia. ;25 La tenuta meccanica 1 comprendente un corpo principale anulare 4 vincolabile ad un albero motore 2. Vantaggiosamente, il corpo principale anulare 4 è rigidamente connesso all’albero motore 2 tramite appositi mezzi di vincolo. ;Vincolato in sequenza al corpo anulare 4 e, coassiale ad esso, è 30 posizionato un anello rotante 5 che fa la tenuta vera e propria, interagendo per attrito contro l’anello stazionario 3, visibile in figura 1, in modo tale che 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;5 ;;le due superfici laterali 6 e 7 a corona circolare o anulare affacciate l’una all’altra siano costantemente a contatto tra loro. ;Tra tali superfici 6 e 7 trafila il fluido di lavoro da tenere. ;E’ una di queste due superfici 6 e 7 che, preferibilmente, fa parte di un 5 elemento 8 per tenuta meccanica in accordo con la presente invenzione. ;Entrando nel dettaglio, l’elemento 8 per tenuta meccanica è un corpo preferibilmente anulare e calzabile sull’albero di rotazione 2, che comprende almeno una prima superficie anulare 9, accoppiabile per contatto contro una seconda superficie anulare di un altro corpo della 10 tenuta meccanica 1 stessa. ;In altre parole, l’elemento 8 per tenuta meccanica oggetto della presente invenzione è l’anello statico 3 o, alternativamente, l’anello rotante 5. ;La prima superficie anulare 9 dell’elemento 8, quindi, può essere alternativamente la superficie laterale 6 o 7 rispettivamente dell’anello 15 stazionario 3 o dell’anello rotante 5. ;Tale prima superficie anulare 9, trasversale all’asse centrale di rotazione 2a e affacciata rispettivamente alla superficie laterale del corrispondente anello rotante 5 o statico 3, presenta una lavorazione superficiale che permette di agevolare la lubrificazione tra le superfici affacciate, contenere 20 le perdite di liquido, evitare surriscaldamenti e problemi di attrito in fase di avvio. ;Nello specifico, la prima superficie anulare 9 dell’elemento 8 della tenuta meccanica 1 presenta una pluralità di cave 11 intersecantesi l’una con l’altra. ;25 Tali cave 11 sono delle incisioni che presentano una profondità compresa tra 3 e 15 µm, preferibilmente tra 6 e 12 µm. La profondità delle cave può variare in funzione del servizio e delle condizioni operative. ;Essendo delle incisioni, queste cave 11 sono aperte all’esterno della prima superficie anulare 9. ;30 Tali incisioni sono realizzate con tecnica laser e generalmente vanno eseguite sull'anello di materiale più duro: ad esempio nel caso di anello in 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;6 ;;silicio che interagisce con un anello in grafite è preferibile incidere il silicio, nel caso invece di interazione tra anelli realizzati con il medesimo materiale, la scelta di realizzare le cave sull’anello rotante o su quello stazionario è indifferente. ;5 La figura 2 mostra un esempio di un disegno preferito in base al quale è possibile realizzare le cave 11 sulla prima superficie anulare 9 dell’elemento 8. ;Le cave 11 presentano, vantaggiosamente, un profilo curvilineo, preferibilmente a spirale logaritmica. Altre geometrie sono comunque 10 possibili. ;Come si vede, queste cave si incrociano tra di loro per convogliare le particelle di fluido dapprima verso l’interno, verso l’asse di rotazione 2a e agevolare così il trafilamento, poi nuovamente verso l’esterno, in allontanamento dall’asse di rotazione 2a, per spingere le particelle di 15 nuovo all’interno del sistema e limitare in questo modo le perdite. ;Vantaggiosamente, le cave 11 si estendono fino ad un bordo perimetrale, esterno 12 o interno 13, della prima superficie anulare 9 aprendosi, rispettivamente, su una superficie laterale, esterna 10 o interna14, dell’elemento anulare 8. ;20 Come visibile in figura 2, le cave 11 si estendono fino ad un bordo perimetrale esterno 12 della prima superficie anulare 9, aprendosi verso l’esterno del bordo perimetrale 12 in allontanamento dall’asse centrale di rotazione 2a. ;In altre parole, la cava si apre sulla superficie laterale esterna 10 25 dell’elemento anulare 8. ;In questo modo, le particelle di fluido possono entrare o uscire da ogni cava 11 a seconda del verso di rotazione. ;Alternativamente, come visibile in figura 3, le cave 11 possono estendersi fino ad un bordo perimetrale interno 13 della prima superficie anulare 9, 30 aprendosi verso l’esterno del bordo perimetrale 13 in avvicinamento dall’asse centrale di rotazione 2a. In altre parole, la cava si apre sulla 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;7 ;;superficie laterale interna 14 dell’elemento anulare 8. ;Anche in questo modo, le particelle di fluido possono entrare o uscire da ogni cava 11 a seconda del verso di rotazione. ;;5 Ciascuna cava 11 interseca una o più delle altre cave in punti differenti. ;Nella figura 2, ad esempio, ciascuna cava 11 interseca almeno due altre cave in corrispondenza di un primo punto A più prossimo al bordo perimetrale esterno 12 della superficie 9 e un secondo punto B più prossimo al bordo perimetrale interno 13 della superficie 9. In questo 10 modo, le particelle hanno almeno due possibilità di ritornare nel fluido di lavoro al quale sono sfuggite. ;In avvicinamento all’asse di rotazione 2a, quindi in prossimità del bordo perimetrale interno 13, le cave 11 presentano un profilo rastremato 15. Questo andamento appuntito riduce lo spazio all’interno del quale 15 possono essere contenute le particelle di fluido che, venendo così ancor più compresse, tendono a creare una forza di distacco tra le superfici affacciate e a liberarsi. In questo modo un minimo di perdita è comunque garantita, come d’altronde è ammesso dalle norme, dalle poche particelle che sfuggono al percorso imposto dalle cave 11. ;;20 La geometria delle cave 11 si ripete sulla superficie anulare 9 dell’elemento 8 della tenuta 1, vantaggiosamente in modo speculare rispetto ad almeno un asse di simmetria centrale 8a ortogonale all’asse di rotazione 2a. ;Discorso analogo, facendo le opportune modifiche, si può applicare alla 25 configurazione illustrata in figura 3. ;La tenuta meccanica così realizzata e dotata di un simile elemento anulare 8 risulta bilanciata idraulicamente. ;Inoltre, la presenza delle cave incrociate che permettono alle particelle di fluido dapprima di dirigersi verso l’asse di rotazione 2a e poi tornare in 30 superficie verso il bordo perimetrale esterno 12, rende l’anello bidirezionale. Discorso analogo se si considera la configurazione di figura 3: in 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;;;8 ;;questo caso le particelle di fluido tendono dapprima a dirigersi in allontanamento dall’asse di rotazione 2a, per poi essere indirizzato nuovamente verso l’asse 2a, in avvicinamento al bordo perimetrale interno 13. In altre parole, indifferentemente dal lato di montaggio e dal verso di 5 rotazione dell’anello, l’elemento 8 funziona perfettamente. ;Nell’esempio illustrato in figura 2 e in figura 3, l’anello 8 ruota ad esempio in senso orario come indicato dalla freccia F. Le particelle entrano nelle cave che sono orientate secondo il verso di rotazione F (ad esempio indicate con 11a) seguendo la freccia I e fuoriescono da quelle orientate in 10 verso opposto (ad esempio indicate come 11b), seguendo la freccia U. La geometria delle cave incrociate ricorda le ali di gabbiano. ;Nel caso di rotazione in senso antiorario, le direzioni di ingresso ed uscita delle particelle si invertono. ;L’invenzione descritta raggiunge notevoli vantaggi. ;15 La presenza delle cave, e la loro apertura verso l’esterno e verso il bordo perimetrale esterno della superficie anulare, agevola il passaggio delle particelle di fluido tra le due superfici affacciate garantendo una continua lubrificazione, anche in fase di avvio. ;Le cave che si estendono lungo l’intera superficie anulare 9 permettono di 20 raffreddare l’intera superficie esposta, riducendo il riscaldamento prodotto dall’attrito per sfregamento. Le zone potenzialmente con ridotta lubrificazione sono praticamente inesistenti con questo sistema di cave incrociate. ;Inoltre, l’incrocio tra le cave permette un flusso incrociato di particelle che 25 vengono trascinate inizialmente verso l’asse di rotazione 2a e poi trascinate nuovamente verso il liquido di lavoro. In altre parole, quello che inizialmente tende ad uscire viene poi convogliato nuovamente all’interno del sistema. ;Questo incrocio crea un perfetto equilibrio idraulico rendendo il sistema 30 bidirezionale, quindi indipendente dalla direzione di rotazione dell’albero motore. ;21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) ;9 ;;IL MANDATARIO ;Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n. 1341 B) *

Claims (14)

1. 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) 1 RIVENDICAZIONI 1. Elemento per tenuta meccanica comprendente almeno una prima superficie anulare (9), accoppiabile per contatto contro una seconda superficie anulare, trasversale ad un asse centrale di rotazione (2a), 5 caratterizzato dal fatto di comprendere su detta prima superficie anulare (9) una pluralità di cave (11) intersecantesi l’una con l’altra.
2. 2. Elemento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) sono delle incisioni che presentano una profondità compresa tra 3 e 15 µm, preferibilmente tra 6 e 12 µm. 10
3. 3. Elemento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) presentano un profilo curvilineo, preferibilmente a spirale logaritmica.
4. 4. Elemento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) si aprono all’esterno di detta prima superficie 15 anulare (9).
5. 5. Elemento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) si estendono fino ad un bordo perimetrale (12, 13) di detta prima superficie anulare (9), aprendosi su una superficie laterale (10, 14) di detto elemento. 20
6. 6. Elemento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) si estendono fino ad un bordo perimetrale esterno (12) di detta prima superficie anulare (9), aprendosi verso l’esterno di detto bordo (12) in allontanamento dall’asse centrale di rotazione (2a).
7. 7. Elemento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato 25 dal fatto che dette cave (11) presentano un profilo rastremato in avvicinamento ad un bordo perimetrale interno (13) di detta prima superficie anulare (9), prossimo all’asse centrale di rotazione (2a).
8. 8. Elemento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) si estendono fino ad un bordo perimetrale interno (13) di detta 30 prima superficie anulare (9), aprendosi verso l’esterno di detto bordo (13) in avvicinamento all’asse centrale di rotazione (2a). 21.F0145.12.IT.15 Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B) 2
9. 9. Elemento secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) presentano un profilo rastremato in avvicinamento ad un bordo perimetrale esterno (12) di detta prima superficie anulare (9), in allontanamento dall’asse centrale di rotazione (2a). 5
10. 10. Elemento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette cave (11) sono ripetute su detta prima superficie anulare (9) con andamento speculare rispetto ad almeno un asse di simmetria (8a) ortogonale all’asse centrale di rotazione (2a).
11. 11. Tenuta meccanica comprendente un elemento anulare secondo una o 10 più delle rivendicazioni da 1 a 10.
12. 12. Tenuta meccanica secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto elemento anulare (8) è un anello rotante (5) o un anello statico (3) della tenuta meccanica (1).
13. 13. Tenuta meccanica secondo la rivendicazione 11 o 12, caratterizzato 15 dal fatto di essere bilanciata idraulicamente.
14. 14. Tenuta meccanica secondo una delle rivendicazioni da 11 a 13, caratterizzato dal fatto di essere bidirezionale. IL MANDATARIO Ing. Simona INCHINGALO (Albo iscr. n.1341 B)