IT201900007995A1

IT201900007995A1 - Un cuscinetto con tacchetti aventi al proprio interno micro-canali di refrigerazione e metodo

Info

Publication number: IT201900007995A1
Application number: IT102019000007995A
Authority: IT
Inventors: Marco Raveggi; Stefano Franchi; Valentina Pivetta; Daniele Panara
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2020-12-04
Also published as: CN113891996A; EP3980654A1; JP2022535543A; US11828331B2; AU2020286909C1; EP3980654B1; AU2020286909A1; WO2020244807A8; KR20220012939A; WO2020244807A1; DK3980654T3; US20220260118A1; AU2020286909B2; BR112021023529A2; JP7333834B2; CA3141659A1

Description

"UN CUSCINETTO CON TACCHETTI AVENTI AL PROPRIO INTERNO

MICRO-CANALI DI REFRIGERAZIONE E METODO"

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

[0001] La presente descrizione riguarda cuscinetti per supportare alberi ruotanti attorno ad un asse. Più specificamente la presente descrizione riguarda cuscinetti radiali o reggispinta con una pluralità di tacchetti, preferibilmente tacchetti oscillanti accoppiati a un alloggiamento del cuscinetto. La presente descrizione riguarda, inoltre, un metodo per il funzionamento di un cuscinetto, nonché un metodo per la produzione di un cuscinetto e una macchina comprendente almeno un cuscinetto.

ARTE ANTERIORE

[0002] In cuscinetti a fluido un albero ruotante è tipicamente supportato su un sottile strato di fluido lubrificante liquido o gassoso, che agisce fra una superficie di supporto del cuscinetto a fluido e un perno di albero. Cuscinetti a fluido possono essere genericamente classificati in cuscinetti idrodinamici e cuscinetti idrostatici. Nei cuscinetti idrostatici un fluido pressurizzato ad alta pressione, quale olio, può prevenire un contatto diretto fra la superficie dell'albero e la superficie di supporto. In cuscinetti idrodinamici, l'albero ruotante si muove ad alta velocità rispetto alla superficie portante così da pressurizzare il fluido in un cuneo di lubrificazione fra l'albero e la superficie di supporto. Il cuneo lubrificante si forma attorno all'albero ruotante e la lubrificazione idrodinamica è ottenuta quando la superficie di supporto e la corrispondente superficie di albero sono completamente separate da un film coeso di lubrificante fra di esse.

[0003] Mentre i cuscinetti idrostatici impiegano tipicamente una pompa esterna per pressurizzare il fluido a una pressione statica, la pressione nei cuscinetti idrodinamici può essere mantenuta dalla rotazione dell'albero. I cuscinetti idrodinamici possono avere un elevato attrito a bassa velocità, prima che si formi il cuneo lubrificante, e possono pertanto essere usati per applicazioni ad alta velocità dove le partenze e gli arresti dell'albero non sono frequenti. Il cuscinetto può così operare in maniera continua con una modalità di lubrificazione idrodinamica.

[0004] Cuscinetti a tacchetti oscillanti esistono sia come cuscinetti idrostatici sia come cuscinetti idrodinamici. Inoltre, i cuscinetti a tacchetti oscillanti esistono sia come cuscinetti radiali sia come cuscinetti assiali, o reggispinta. Cuscinetti radiali comprendono tacchetti oscillanti distanziati attorno ad un asse dell'albero. I tacchetti oscillanti possono essere accoppiati a un alloggiamento del cuscinetto così da essere oscillanti rispetto a un rispettivo asse di oscillazione che può estendersi parallelamente all'asse dell'albero. Le superfici portanti dei tacchetti oscillanti possono essere dirette verso uno spazio dell'alloggiamento dell'albero, dove l'albero deve essere supportato. Durante il funzionamento, l'albero ruotante può trasferire il lubrificante alle superfici portanti dei tacchetti oscillanti per effetto di trascinamento viscoso. La pressione del lubrificante fra la superficie portante e l'albero può dar luogo a una leggera oscillazione dei tacchetti oscillanti rispetto all'asse di oscillazione dei tacchetti, e un cuneo di lubrificazione pressurizzato si può formare fra l'albero e la superficie portante. L'oscillazione dei tacchetti può cambiare in funzione del carico del cuscinetto e della velocità.

[0005] Un problema riscontrato nei cuscinetti a fluido, sia idrostatici sia idrodinamici, è l'aumento della temperatura dei componenti del cuscinetto, compresi i tacchetti, a causa dell'attrito. Valori di temperatura che possono essere nocivi possono essere raggiunti soprattutto in condizioni di elevata velocità e/o elevato carico. Il fluido lubrificante può essere usato per rimuovere calore dal cuscinetto. Il raffreddamento è ottenuto poiché il fluido lubrificante, quale olio, lambisce le superfici esterne dei tacchetti e rimuove calore da essi. Tuttavia, l'interno dei tacchetti non può essere raggiunto dall'olio refrigerante, così che si ottiene soltanto un raffreddamento inefficiente.

[0006] Il brevetto US n. 9,874,247 descrive cuscinetti a fluido aventi tacchetti oscillanti che sono provvisti di una rete di condotti di refrigerazione formati in essi. I tacchetti sono prodotti per manifattura additiva. Almeno un ugello di iniezione di olio è previsto per ciascun tacchetto, al fine di alimentare olio pressurizzato da una pompa all'interno della rete di condotti di refrigerazione. L'utilizzo di un ugello di iniezione dell'olio rende il cuscinetto complesso e richiede grandi condotti di refrigerazione. La grande sezione trasversale dei condotti richiede strutture di supporto nei condotti di refrigerazione, per prevenire che il tacchetto collassi in condizioni operative a carichi elevati. Le strutture di supporto del condotto riducono l'olio di refrigerazione che circola attraverso i condotti di refrigerazione e aumenta la complessità del cuscinetto.

[0007] Sarebbe pertanto vantaggioso fornire un cuscinetto o fluido con una disposizione efficiente di refrigerazione dei tacchetti, nonché un metodo per la sua produzione e per il suo utilizzo.

SOMMARIO

[0008] Viene qui descritto un cuscinetto a fluido, ad esempio un cuscinetto idrodinamico, per supportare un albero ruotante attorno ad un asse del cuscinetto, e comprendente una struttura di alloggiamento e una pluralità di tacchetti direttamente o indirettamente collegati, cioè accoppiati alla struttura del cuscinetto. In alcune forme di realizzazione, i tacchetti sono tacchetti oscillanti. Ciascun tacchetto comprende una superficie portante, atta a cooperare con un albero ruotante supportato dal cuscinetto, e una opposta superficie tergale diretta verso la struttura di alloggiamento. Fra la struttura di alloggiamento e uno spazio di ricezione dell'albero è previsto un volume per il fluido lubrificante. Durante il funzionamento, il volume per il fluido lubrificante è riempito con fluido lubrificante che circola in esso. Per migliorare la rimozione di calore dal cuscinetto, ciascun tacchetto comprende una pluralità di microcanali di refrigerazione. Ciascun micro-canale di refrigerazione ha un’estremità di ingresso e una estremità di uscita in comunicazione di fluido con il volume del fluido lubrificante. I micro-canali di refrigerazione sono orientati in modo tale che la circolazione di fluido lubrificante nel volume del fluido lubrificante promuove il flusso del fluido lubrificante attraverso i micro-canali di refrigerazione.

[0009] Il fluido lubrificante che circola nei micro-canali di refrigerazione fornisce un’efficiente rimozione del calore. Non è necessaria una pompa esterna per il fluido lubrificante al fine di far circolare il fluido lubrificante nei micro-canali di refrigerazione.

[0010] Viene qui descritta anche una macchine ruotante comprendente: una cassa; un rotore disposto per ruotare nella cassa e supportato da almeno un cuscinetto a fluido come sopra definito.

[0011] Secondo un ulteriore aspetto, viene qui descritto un metodo per il funzionamento di un cuscinetto a fluido provvisto di micro-canali di refrigerazione come sopra definito. Il metodo comprende la fase di ruotare un albero nello spazio di ricezione dell'albero del cuscinetto mentre fluido lubrificante viene alimentato fra la struttura di alloggiamento e l'albero ruotante, così da fornire un cuneo di lubrificazione idrodinamica fra la superficie portante dei tacchetti e una superficie dell'albero. Il metodo comprende, inoltre, la fase di circolare in maniera forzata fluido lubrificante attraverso i micro-canali di refrigerazione. La circolazione del fluido lubrificante viene promossa e supportata dall'azione dell'albero ruotante.

[0012] Secondo ancora un’ulteriore forma di realizzazione, la presente descrizione riguarda un metodo per la produzione di un cuscinetto per supportare un albero ruotante attorno ad un asse, il cuscinetto comprendendo una pluralità di tacchetti, in cui ciascun tacchetto è accoppiato a una struttura di alloggiamento e comprende una superficie portante. Il metodo comprende la fase di produrre i tacchetti tramite manifattura additiva con una pluralità di micro-canali di refrigerazione che si estendono all'interno di essi ed aventi un’estremità di ingresso e un’estremità di uscita su superfici esterne dei tacchetti.

[0013] Ulteriori aspetti, vantaggi e caratteristiche della presente descrizione saranno chiari dalle rivendicazioni che seguono, dalla descrizione e dai disegni allegati.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

[0014] Affinché il modo in cui le sopra citate caratteristiche della presente descrizione possano essere comprese in dettaglio, una descrizione particolare di quanto sopra sommariamente esposto, può ottenersi con riferimento a forme di realizzazione. I disegni allegati riguardano formano di realizzazione della descrizione e sono spiegati nel seguito. Alcune forme di realizzazione sono rappresentate nei disegni e sono dettagliate nella descrizione che segue. Nei disegni:

la Fig.1 illustra una vista in pianta di un cuscinetto reggispinta secondo la presente descrizione, secondo la linea I-I di Fig.2;

Fig. la.2 illustra una vista laterale del cuscinetto reggispinta della Fig.1, secondo la linea II-II di Fig.1;

la Fig.3 illustra una vista dall'alto di alcuni tacchetti oscillanti del cuscinetto reggispinta della Fig.1 separatamente dal resto;

la Fig.4 illustra una vista laterale secondo la linea IV-IV di Fig.3;

la Fig.5 illustra una vista laterale secondo la linea V-V di Fig.3;

la Fig.6 illustra una vista laterale secondo la linea VI-VI di Fig.3;

la Fig.7 illustra una vista alterale secondo la linea VII-VII di Fig.3;

la Fig.8 illustra una sezione secondo la linea VIII-VIII di Fig.3;

la Fig.9 illustra una sezione schematica di un cuscinetto radiale secondo la presente descrizione, secondo la linea IX-IX di Fig.10;

Fig la.10 illustra una sezione schematica di un cuscinetto radiale secondo la linea X-X di Fig.9;

la Fig.11 illustra uno schema di una turbomacchina comprendente un cuscinetto reggispinta e cuscinetti radiali secondo la presente descrizione; e

la Fig.12 illustra un diagramma a blocchi di un metodo per il funzionamento di un cuscinetto secondo la presente descrizione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[0015] Viene qui descritto un nuovo cuscinetto a fluido, con una disposizione di refrigerazione migliorata per rimuovere calore dai tacchetti del cuscinetto. I tacchetti sono accoppiati a una struttura di alloggiamento e sono provvisti ciascuno di una superficie portante rivolta verso un albero che è supportato rotativamente dal cuscinetto. Il carico è supportato da un sottile strato di liquido o gas lubrificante pressurizzato fra la superficie portante dei tacchetti e la superficie dell'albero. Il fluido lubrificante circola nel volume interno del cuscinetto dove sono alloggiati i tacchetti. Ciascun tacchetto è provvisto di una pluralità di micro-canali di refrigerazione. Ciascun micro-canale di refrigerazione ha un’estremità di ingresso e un’estremità di uscita. Le estremità di ingresso e di uscita dei micro-canali di refrigerazione sboccano nel volume interno del cuscinetto, in cui circola il fluido lubrificante, così che durante il funzionamento del cuscinetto, fluido lubrificante circola in maniera forzata nei micro-canali di refrigerazione fornendo un’efficiente rimozione del calore dai tacchetti. I tacchetti sono vantaggiosamente prodotti tramite manifattura additiva, per fornire micro-canali di refrigerazione di dimensione e forma idonee.

[0016] E' stato sorprendentemente notato che, prevedendo micro-canali di refrigerazione come qui descritti, il cuscinetto può essere efficientemente raffreddato, anche se vengono utilizzati materiali meno perforamenti per la produzione di tacchetti. Secondo l'arte corrente, al fine di promuovere la rimozione di calore vengono usati metalli aventi un’elevata conducibilità termica, quali rame-cromo. Questi materiali molto performanti sono costosi. Usando micro-canali di refrigerazione come qui descritti, la temperatura dei tacchetti durante il funzionamento del cuscinetto può essere abbassata utilizzando materiali termicamente meno performanti e quindi meno costosi, quali l'acciaio.

[0017] Venendo ora ai disegni, le Figg.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 illustrano una prima forma di realizzazione di un cuscinetto a fluido secondo la presente descrizione. In questa forma di realizzazione il cuscinetto è configurato come un cuscinetto reggispinta 1. La Fig.1 illustra una vista in pianta del cuscinetto 1 e la Fig.2 illustra una vista laterale esterna del cuscinetto 1.

[0018] Il cuscinetto 1 comprende una struttura di alloggiamento 3 comprendente un anello che si estende attorno ad un asse A-A del cuscinetto 1. L'asse A-A del cuscinetto coincide con l'asse di rotazione di un albero supportato dal cuscinetto 1.

[0019] Una pluralità di tacchetti 5 sono accoppiati alla struttura dell'alloggiamento 3. Nelle forme di realizzazione illustrate i tacchetti 5 sono tacchetti oscillanti e possono essere accoppiati alla struttura di alloggiamento 3 in uno qualsiasi dei diversi modi noti. In alcune forme di realizzazione (non mostrate) i tacchetti oscillanti 5 possono essere prodotti di pezzo con la struttura di alloggiamento 3 tramite manifattura additiva, formando un diaframma flessibile che collega i tacchetti alla struttura di alloggiamento 3, come descritto ad esempio in WO2018/077884.

[0020] La Fig.3 illustra una vista in pianta di tre tacchetti oscillanti separatamente dal resto, in una vista in pianta dall'alto. Uno dei tacchetti è mostrato con lo strato superiore parzialmente rimosso. Le Figg.4, 5, 6, 7 e 8 mostrano viste laterali e una vista in sezione di un tacchetto oscillante. Queste figure mostrano dettagli di una disposizione di refrigerazione per rimuovere calore dal tacchetto 5.

[0021] Ciascun tacchetto 5 comprende una superficie portante sostanzialmente piana 5.1 e una superficie tergale 5.2, in corrispondenza della quale sono previsti dispositivi di connessione 5.3 per collegare il tacchetto 5 alla struttura di alloggiamento 3. Ciascun tacchetto 5 comprende, inoltre, quattro facce laterali, mostrate in dettaglio nelle Figg.4, 5, 6 e 7. Più specificamente ciascun tacchetto 5 comprende una superficie laterale sostanzialmente piana più avanzata 5.4, estendentesi in una direzione radiale, e una superficie laterale sostanzialmente piana più arretrata 5.5, estendentesi in una direzione radiale. La definizione "più avanzata" e "più arretrata" sono riferite alla direzione di rotazione dell'albero S (Fig.11 descritta più avanti) supportato dal cuscinetto e alla direzione del flusso del fluido lubrificante nel cuscinetto 1. Il verso di rotazione è indicato dalla freccia F nei disegni. Specificamente, la superficie laterale più avanzata è a monte della superficie laterale più arretrata, rispetto al flusso del fluido lubrificante. Ciascun cuscinetto 5 comprende inoltre una superficie esterna circonferenziale sostanzialmente cilindrica 5.6 e una superficie interna circonferenziale sostanzialmente cilindrica 5.7.

[0022] Le superfici portanti 5.1 dei tacchetti 5 sono orientate verso uno spazio di ricezione di un albero, in cui è disposto l'albero S (Fig.11 descritto più avanti) o parte di esso. Un volume di fluido lubrificante V viene formato fra l'albero S e la struttura portante 3. Il volume di fluido lubrificante V è riempito con fluido lubrificante, ad esempio tipicamente olio,. Durante il funzionamento l'albero S ruota ad alta velocità attorno all'asse A-A del cuscinetto 1 e trascina un flusso di fluido di lubrificante lungo lo spazio fra l'albero S e le superfici portanti 5.1 dei tacchetti 5, così da evitare il contatto diretto fra la superficie esterna dell'albero S e i tacchetti 5. Il fluido lubrificante fluisce secondo la freccia F nel volume di fluido lubrificante V sotto l'effetto del trascinamento generato dall'albero ruotante S.

[0023] In un cuscinetto idrodinamico, come qui illustrato, il fluido lubrificante è alimentato in maniera continua al cuscinetto 1 da una pompa esterna, non mostrata, così che il fluido lubrificante viene continuamente rimosso e sostituito. Il flusso continuo di fluido lubrificante fornisce un’azione di refrigerazione.

[0024] In alcune forme di realizzazione, il cuscinetto 1 può essere un cuscinetto idrostatico, in cui fluido lubrificante viene alimentato in maniera continua al cuscinetto ad alta pressione, per fornire un'azione portante.

[0025] Ciascun tacchetto 5 può comprendere uno strato di nucleo 7 e uno strato di rivestimento 9, che forma la superficie portante 5.1. In alcune forme di realizzazione, lo strato di rivestimento 9 può essere realizzato in metallo bianco o metallo Babbit e forma una superficie portante 5.1 a basso attrito. Come noto agli esperti del ramo, un metallo Babbit è una qualsiasi tra più leghe metalliche usate per la superficie portante di un cuscinetto a fluido.

[0026] Lo strato di nucleo 7 può essere realizzato in un metallo singolo, ad esempio acciaio o alluminio, oppure può essere prodotto con materiali metallici differenti, quali cromo e rame. In alcune forme di realizzazione, materiali differenti possono essere disposti in sequenza, per formare una struttura multi-strato con materiali aventi differenti coefficienti di conducibilità termica, così da ottimizzare la rimozione di calore.

[0027] Realizzando i tacchetti 5 con un processo di manifattura additiva, quale fusione laser selettiva o sinterizzazione laser selettiva, lo strato di nucleo 7 può essere formato di substrati di differenti materiali, partendo da un substrato inferiore formante la superficie tergale 5.2 e terminando con l'ultimo substrato formante l'interfaccia con lo strato di rivestimento 9.

[0028] Ciascun tacchetto 5 è provvisto di una pluralità di micro-canali di refrigerazione 11. Ciascun micro-canale di refrigerazione 11 ha una prima estremità e una seconda estremità che affiorano su due delle superfici laterali del rispettivo tacchetto 5. Più specificamente, come meglio mostrato nelle Figg.3, 4, 5, 6, 7 e 8, alcuni microcanali di refrigerazione 11 hanno un’estremità di ingresso sulla superficie laterale più avanzata 5.4 e una estremità di uscita sulla superficie laterale più arretrata 5.5. Alcuni micro-canali di refrigerazione 11 hanno una estremità di ingresso sulla superficie laterale più avanzata 5.4 e una estremità di uscita sulla superficie laterale circonferenziale esterna 5.6. Ulteriori micro-canali di refrigerazione hanno una estremità di ingresso sulla superficie laterale circonferenziale interna 5.7 e una estremità di uscita sulla superficie laterale più arretrata 5.5.

[0029] In generale, le estremità di ingresso dei micro-canali di refrigerazione 11 sono disposte a monte rispetto alle estremità di uscita di essi rispetto al verso del flusso di fluido lubrificante nel volume V del fluido lubrificante, e quindi rispetto al verso di rotazione dell'albero S. Inoltre, i micro-canali di refrigerazione 11 sono genericamente inclinati in una direzione verso l'esterno, così che l’estremità di ingresso di ciascun micro-canale di refrigerazione 11 è disposta a una prima distanza dall'asse A-A del cuscinetto 1 e l‘estremità di uscita di ciascun micro-canale di refrigerazione 11 è disposta a una seconda distanza dall'asse A-A, la seconda distanza essendo maggiore della prima distanza.

[0030] In alcune forma di realizzazione, i micro-canali di refrigerazione 11 possono essere rettilinei, come mostrato ad esempio in Fig.3. In altre forme di realizzazione, i micro-canali di refrigerazione 11 possono avere una forma curva in una vista in pianta. Ad esempio, ciascun micro-canale di refrigerazione 11 può estendersi secondo una porzione di una spirale giacente in un piano ortogonale all'asse A-A del cuscinetto 11. In generale, è vantaggioso che i micro-canali di refrigerazione 11 abbiano una forma qualsiasi che favorisca, promuova o faciliti la circolazione forzata del fluido lubrificante attraverso di essi per effetto della collaborazione fra l'albero ruotante supportato dal cuscinetto 1 e i tacchetti 5 del cuscinetto 1. Ad esempio, i microcanali di refrigerazione 11 possono avere la forma di un arco di circonferenza, o una forma iperbolica, parabolica o tridimensionale.

[0031] In alcune forme di realizzazione, come meglio illustrato nell'esempio delle Figg.6 e 7, i micro-canali di refrigerazione 11 sono disposti secondo una matrice. Nella forma di realizzazione illustrata nei disegni allegati, i micro-canali di refrigerazione 11 sono disposti secondo una disposizione a maglie quadre. In altre forme di realizzazione, i micro-canali di refrigerazione 11 possono essere disposti secondo una disposizione a maglia romboidali. In generale, i micro-canali di refrigerazione 11 sono disposti secondo file a distanza crescente dalla superficie portante 5.1 del rispettivo tacchetto 5, come si può vedere ad esempio nelle Figg.6 e 7. Inoltre, i microcanali di refrigerazione 11 possono anche essere disposti secondo colonne a distanza crescente dall'asse A-A del cuscinetto.

[0032] La distribuzione a matrice dei micro-canali di refrigerazione 11 fornisce un’efficiente refrigerazione dell'intero volume del tacchetto 5.

[0033] Come meglio visibile nelle Figg.4, 5, 6, 7 e 8, i micro-canali di refrigerazione 11 sono disposti a strati. Più specificamente, i micro-canali di refrigerazione 11 possono essere disposti secondo una pluralità di strati, che sono paralleli l'uno all'altro e disposti uno dopo l'altro lungo una direzione assiale, cioè una direzione parallela all'asse del cuscinetto 1. I micro-canali di refrigerazione 11 possono, inoltre, essere disposti secondo una pluralità di strati che sono posti l'uno dopo l'altro in una direzione assiale, secondo strati disposti a una distanza radiale crescente dall'asse A-A del cuscinetto 1.

[0034] In alcune forme di realizzazione uno, alcuni o tutti i tacchetti 5 possono essere provvisti di una sede 13 per un sensore di temperatura; vedasi in particolare Fig.5. I micro-canali di refrigerazione 11 possono essere sagomati in maniera idonea così da estendersi attorno alla sede 13 senza intersecare la sede, in modo tale che il flusso del lubrificante di refrigerazione non alteri la temperatura rilevata dai sensori di temperatura alloggiati nelle sedi 13.

[0035] I micro-canali di refrigerazione 11 possono avere una sezione trasversale circolare o preferibilmente allungata, ad esempio una sezione trasversale ellittica, come meglio visibile nelle Figg.6 e 7. La sezione trasversale dei micro-canali di refrigerazione 11 ha un asse maggiore e un asse minore. In forme di realizzazione particolarmente vantaggiose, l'asse maggiore è parallelo all'asse A-A del cuscinetto 1 e l'asse minore è ortogonale all'asse A-A del cuscinetto 1. Questa forma aumenta la resistenza meccanica del tacchetto 5 rispetto al collassamento e, inoltre, facilita la produzione del tacchetto tramite manifattura additiva, poiché la direzione di accrescimento del tacchetto è parallela all'asse A-A del cuscinetto 1.

[0036] La dimensione maggiore della sezione trasversale dei micro-canali di refrigerazione 11 può essere piccola, ad esempio nell'intervallo da circa 0,5 mm a circa 3.00 mm, preferibile fra circa 1.00 mm e circa 2.50 mm. Se il micro-canale di refrigerazione 11 ha una sezione trasversale ellittica, come nelle forme di realizzazione qui descritte, la dimensione maggiore della sezione trasversale di essi è l'asse maggiore della sezione trasversale ellittica. Se i micro-canali di refrigerazione hanno una sezione trasversale circolare, il diametro della sezione circolare è la dimensione maggiore della sezione trasversale. Il diametro può essere nell'ambito dell'intervallo sopra menzionato.

[0037] Secondo alcune forme di realizzazione, l'area della sezione trasversale dei micro-canali di refrigerazione 11 può essere nell'intervallo tra circa 0,2 e circa 7 mm<2>, e preferibilmente fra circa 0,8 e circa 5 mm<2>.

[0038] La lunghezza di ciascun micro-canale di refrigerazione 11 dipende dalla dimensione del tacchetto 5 e dall'orientamento del micro-canale di refrigerazione 11, poiché il micro-canale di refrigerazione si estende da una superficie laterale ad un'altra superficie laterale del tacchetto, come mostrato nelle forme di realizzazione esemplificative qui descritte.

[0039] Come meglio mostrato nelle Figg.4, 5, 6 e 7, i micro-canali di refrigerazione 11 sono disposti secondo un disegno tridimensionale, cioè in file e colonne distribuite secondo la direzione radiale e la direzione assiale, rispetto all'asse del cuscinetto. Il passo fra micro-canali di refrigerazione 11 adiacenti nella direzione radiale nonché nella direzione assiale può essere selezionato sulla base di diverse considerazioni, fra cui la forma della sezione trasversale e la dimensione dei micro-canali di refrigerazione, la natura del materiale usato per la produzione dei tacchetti, il tipo di processo di manifattura additiva utilizzato.

[0040] Come sopra menzionato i tacchetti 5 possono essere prodotti tramite manifattura additiva, ad esempio per mezzo di fusione laser selettiva o sinterizzazione laser selettiva. La manifattura additiva consente di ottenere micro-canali di refrigerazione 11 di idonea forma e dimensione attraverso l'intero spessore del tacchetto 5, così che fluido lubrificante può fluire sostanzialmente attraverso l'intero strato di nucleo 7 del tacchetto 5. La refrigerazione è possibile anche in vicinanza dello strato di rivestimento 9, in tal modo prevenendo o riducendo danni termici al metallo Babbit o al metallo bianco che forma il rivestimento.

[0041] Durante il funzionamento, il fluido refrigerate che riempie il volume di fluido refrigerante V viene fatto circolare in maniera forzata attraverso i micro-canali di refrigerazione 11, entrando in corrispondenza delle loro estremità di ingresso ed uscendo in corrispondenza delle loro estremità di uscita. Poiché viene mantenuto un flusso di circolazione continuo di fluido lubrificante attraverso il cuscinetto 1 per mezzo di una pompa di lubrificazione esterna, il calore viene continuamente rimosso dal fluido lubrificante che esce dal cuscinetto 1 ed è sostituito da fluido lubrificante fresco, freddo da un circuito esterno di circolazione e refrigerazione, non mostrato e noto nel settore. Si ottiene una refrigerazione efficiente dei tacchetti 5 con una struttura meccanica estremamente semplice.

[0042] Mentre le Figg.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 illustrano un cuscinetto reggispinta 1 secondo la presente descrizione, in altre forme di realizzazione il cuscinetto può essere configurato come cuscinetto radiale.

[0043] Una forma di realizzazione esemplificativa di un cuscinetto radiale secondo la presente descrizione è schematicamente mostrata nelle Figg.9 e 10. Il cuscinetto radiale 101 comprende una struttura di alloggiamento 103 circondante un asse A-A del cuscinetto 101. Tacchetti radiali 105 sono montati nella struttura di alloggiamento 103 rivolti verso l'asse A-A. I tacchetti 105 sono preferibilmente tacchetti oscillanti. Ciascun tacchetto ha una superficie portante 105.1 e una superficie tergale 105.2. Sulla superficie tergale 105.2 sono previsti dispositivi 105.3 per la connessione alla struttura di alloggiamento 103. La superficie portante 105.1 è circa cilindrica, per definire uno spazio fra la superficie portante 105.2 e la superficie di un albero (non mostrato nelle Figg.9 e 10), che ruota supportato dal cuscinetto 101.

[0044] Ciascun tacchetto 105 comprende, inoltre, una superficie laterale più avanzata 105.4 e una superficie laterale più arretrata 105.5. La superficie laterale più avanzata 105.4 è disposta a monte della superficie più arretrata 105.5 rispetto al verso di rotazione F di un albero, non mostrato nelle Figg.9 e 10, montato per ruotare in uno spazio 102 di ricezione dell'albero. La superficie laterale più avanzata 105.4 e la superficie laterale più arretrata 105.5 possono essere piane e possono estendersi radialmente rispetto all'asse A-A del cuscinetto 101, cioè ciascuna di esse può giacere su un piano geometrico contenente l'asse A-A.

[0045] Come meglio visibile nella sezione della Fig.9, ciascun tacchetto 105 comprende uno strato di nucleo 107 e uno strato di rivestimento 109. Lo strato di rivestimento 109 forma la superficie portante 105.1 del tacchetto 105.

[0046] Nello strato di nucleo 107 di ciascun tacchetto 105 è prevista una pluralità di micro-canali di refrigerazione 111.

[0047] I micro-canali di refrigerazione 111 possono essere disposti secondo una matrice, e possono essere posizionati secondo file parallele all'asse A-A del cuscinetto 101 e possono, inoltre, essere disposti secondo colonne ortogonali all'asse A-A del cuscinetto 101.

[0048] In alcune forme di realizzazione, come meglio mostrato in Fig.9, i microcanali di refrigerazione 111 possono avere un’estremità di ingresso sulla superficie laterale più avanzata 105.4, e un’estremità di uscita sulla superficie laterale più arretrata 105.5. I micro-canali di refrigerazione 111 possono avere una forma arcuata che si estende attorno all'asse A-A del cuscinetto 101. In altre forme di realizzazione, non mostrate, almeno alcuni dei micro-canali di refrigerazione 111 possono avere un’estremità di ingresso sulla superficie laterale più avanzata 105.4 e un’estremità di uscita sulla superficie tergale 105.2 del tacchetto 105.

[0049] In generale, l'orientamento dei micro-canali di refrigerazione 111 è tale che fluido lubrificante che circola nel volume di fluido lubrificante fra la struttura di alloggiamento 103 e l'albero S (non mostrato nelle Figg.9 e 10) viene fatto circolare in maniera forzata attraverso i micro-canali di refrigerazione 111 entrando attraverso le estremità di ingresso e uscendo attraverso le estremità di uscita di esse.

[0050] I tacchetti 105 possono essere prodotti tramite manifattura additiva come descritto sopra in relazione ai tacchetti 5. La direzione di accrescimento può essere parallela alla direzione dell'asse A-A del cuscinetto 101. Così, i micro-canali di refrigerazione 111 possono avere una sezione trasversale allungata o ellittica, con l'asse maggiore parallelo alla direzione dell'asse A-A.

[0051] In alcune forme di realizzazione uno, alcuni o tutti i tacchetti 105 possono essere provvisti di una sede per un sensore di temperatura (non mostrato) analogamente al cuscinetto reggispinta 1 sopra descritto. I micro-canali di refrigerazione 111 possono essere sagomati opportunamente, così da estendersi attorno alla sede del sensore di temperatura, senza intersecare la sede, così che il flusso di lubrificante di refrigerazione non alteri la temperatura rilevata dai sensori di temperatura.

[0052] La Fig.11 illustra uno schema di una turbomacchina 201, comprendente una cassa 203 e un rotore 205 girevolmente alloggiato nella cassa 203 per ruotare in essa. L'albero S del rotore 205 è supportato da cuscinetti, almeno uno dei quali è realizzato secondo la presente descrizione. Nella forma di realizzazione della Fig.11 sono mostrati due cuscinetti radiali 101 e un cuscinetto reggispinta 1.

[0053] Durante il funzionamento, la rotazione dell'albero S nei cuscinetti 1, 101 promuove la circolazione del fluido lubrificante attraverso i micro-canali di refrigerazione 11 e 111, rimuovendo così calore dai tacchetti 5, 105. La Fig.12 illustra un diagramma di flusso del metodo di funzionamento dei cuscinetti 1 e 101 della turbomacchina 201.

[0054] Nelle forme di realizzazione sopra descritte sono stati citati micro-canali di refrigerazione aventi una superficie interna liscia e a sezione trasversale circolare o ellittica. Sono utilizzabili altre forme di sezione trasversale allo scopo di migliorare ulteriormente l'efficienza termica del cuscinetto, in termini di rimozione del calore. Utilizzando la tecnologia di manifattura additiva per produrre i tacchetti del cuscinetto può essere scelta virtualmente qualunque forma per i micro-canali di refrigerazione. Ad esempio micro canali di refrigerazione aventi una sezione trasversale multilobata possono essere vantaggiosi in termini di maggiore superficie di scambio termico e ridotte perdite di carico. La sezione trasversale può essere costante o può variare lungo lo sviluppo dei micro-canali di refrigerazione. Ad esempio una sezione trasversale non circolare può ruotare lungo l'asse del micro-canale di refrigerazione.

[0055] Mentre quanto sopra è relativo a forme di realizzazione della descrizione, altre ulteriori forme di realizzazione della descrizione possono essere contemplate senza uscire dall'ambito di base di essa, e il suo ambito è determinato dalle rivendicazioni che seguono.

[0056] Varie forme di realizzazione dell'invenzione sono contenute in una o più delle seguenti clausole, che possono essere combinate in qualunque maniera idonea se non diversamente indicato:

Clausola 1) Un cuscinetto per supportare un albero ruotante attorno ad un asse del cuscinetto, il cuscinetto comprendendo una struttura di alloggiamento e una pluralità di tacchetti; in cui ciascun tacchetto è accoppiato alla struttura di alloggiamento e comprende una superficie portante, atta a cooperare con un albero ruotante supportato nel cuscinetto; in cui fra la struttura di alloggiamento e uno spazio di ricezione dell'albero è previsto un volume di fluido lubrificante; nel funzionamento detto volume di fluido lubrificante essendo riempito con fluido lubrificante che circola in esso; in cui ciascun tacchetto comprende una pluralità di micro-canali di refrigerazione; in cui ciascun micro-canale di refrigerazione ha un’estremità di ingresso e un’estremità di uscita in comunicazione di fluido con detto volume di fluido lubrificante; e in cui detti micro-canali di refrigerazione sono orientati così che la circolazione di fluido lubrificante nel volume di fluido lubrificante promuove il flusso di fluido lubrificante attraverso i micro-canali di refrigerazione.

Clausola 2) Un cuscinetto comprendente un alloggiamento e una pluralità di tacchetti; in cui ciascun tacchetto comprende una superficie portante, una superficie laterale più avanzata e una superficie laterale più arretrata; in cui ciascun tacchetto comprende, inoltre, una pluralità di micro-canali di refrigerazione; e in cui ciascun micro-canale di refrigerazione ha un’estremità di ingresso disposta sulla superficie laterale più avanzata e un’estremità di uscita disposta sulla superficie laterale più arretrata del tacchetto.

Clausola 3) Il cuscinetto della clausola 1 o 2, in cui il cuscinetto è configurato come un cuscinetto reggispinta; in cui la superficie portante di ciascun tacchetto è sostanzialmente piana; e in cui ciascun tacchetto ha una superficie laterale circonferenziale interna, una superficie laterale circonferenziale esterna, una superficie laterale più avanzata radiale e una superficie laterale più arretrata radiale.

Clausola 4) Il cuscinetto della clausola 1 o 3, in cui l'estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale più avanzata e l’estremità di uscita di detto almeno un micro-canale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale più arretrata.

Clausola 5) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui l'estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale più avanzata e l'estremità di uscita di detto almeno un microcanale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale circonferenziale esterna.

Clausola 6) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui l’estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale circonferenziale interna e l’estremità di uscita di detto almeno un micro-canale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale più arretrata.

Clausola 7) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui l’estremità di ingresso di ciascun micro-canale di refrigerazione è disposta a una prima distanza radiale da un asse del cuscinetto e l’estremità di uscita di ciascun micro-canale di refrigerazione è disposta a una seconda distanza radiale dall'asse del cuscinetto, la prima distanza essendo minore della seconda distanza, così che ciascun micro-canale di refrigerazione si estende radialmente allontanandosi dall'asse del cuscinetto dall’estremità di ingresso all’estremità di uscita, in modo tale che fluido lubrificante entra in ciascun micro-canale di refrigerazione all'estremità di ingresso ed esce all'estremità di uscita del rispettivo micro-canale di refrigerazione muovendosi in una direzione radiale verso l'esterno.

Clausola 8) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui in una sezione trasversale di ciascun tacchetto secondo un piano contenente l'asse del cuscinetto i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una matrice avente righe di micro-canali di refrigerazione che si estendono in una direzione radiale, una pluralità di dette file essendo soprapposte in una direzione assiale.

Clausola 9) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una pluralità di strati paralleli disposti uno adiacentemente all'altro in una direzione radiale, strati successivi di micro-canali di refrigerazione essendo disposti ad una distanza crescente dall'asse del cuscinetto.

Clausola 10) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una pluralità di strati paralleli disposti uno adiacentemente all'altro lungo una direzione parallela all'asse del cuscinetto.

Clausola 11) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui il cuscinetto è configurato come cuscinetto radiale; in cui la struttura di alloggiamento circonda lo spazio di ricezione dell'albero; in cui la superficie portante di ciascun tacchetto è sostanzialmente cilindrica e circonda il volume di ricevimento dell'albero; e in cui ciascun tacchetto ha una superficie laterale più avanzata e una superficie laterale più arretrata estendentisi parallelamente all'asse del cuscinetto.

Clausola 12) Il cuscinetto della clausola 11, in cui almeno un microcanale di refrigerazione si estende dalla superficie laterale più avanzata alla superficie laterale più arretrata.

Clausola 13) Il cuscinetto della clausola 11 o 12, in cui almeno un micro-canale di refrigerazione si estende dalla superficie laterale più avanzata ad una superficie tergale del tacchetto.

Clausola 14) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui in una sezione trasversale di ciascun tacchetto, secondo un piano contenente l'asse del cuscinetto, i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una matrice avente file di micro-canali di refrigerazione estendentisi in una direzione genericamente radiale, una pluralità di dette righe essendo disposte sequenzialmente lungo una direzione assiale.

Clausola 15) Il cuscinetto della clausola 14, in cui la matrice ha maglie rettangolari o romboidali, i micro-canali di refrigerazione essendo disposti nei nodi delle maglie.

Clausola 16) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui i tacchetti sono prodotti per manifattura additiva.

Clausola 17) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui detti micro-canali di refrigerazione hanno una forma ellittica in sezione trasversale, con un asse maggiore e un asse minore, e in cui l'asse maggiore è parallelo all'asse del cuscinetto.

Clausola 18) Il cuscinetto di una o più delle clausole precedenti, in cui ciascun tacchetto ha uno strato di nucleo e uno strato di rivestimento, lo strato di rivestimento essendo preferibilmente realizzato in metallo Babbit o metallo bianco; e in cui i micro-canali di refrigerazione sono disposti nello strato di nucleo.

Clausola 19) Una macchina ruotante comprendente: una cassa; un rotore disposto per ruotare nella cassa e supportato da almeno un cuscinetto secondo una qualsiasi delle clausole precedenti e preferibilmente da almeno due cuscinetti radiali e almeno un cuscinetto reggispinta secondo una qualsiasi delle clausole precedenti.

Claims

"UN CUSCINETTO CON TACCHETTI AVENTI AL PROPRIO INTERNO MICRO-CANALI DI REFRIGERAZIONE E METODO" RIVENDICAZIONI 1. Un cuscinetto per supportare un albero ruotante attorno ad un asse del cuscinetto, il cuscinetto comprendendo: una struttura di alloggiamento; e una pluralità di tacchetti; in cui ciascun tacchetto è accoppiato alla struttura di alloggiamento e comprende una superficie portante, atta a cooperare con un albero ruotante supportato nel cuscinetto, e una opposta superficie tergale diretta verso la struttura di alloggiamento; in cui fra la struttura di alloggiamento e uno spazio di ricezione dell'albero è previsto un volume di fluido lubrificante; nel funzionamento detto volume di fluido lubrificante essendo riempito con fluido lubrificante che circola in esso; e in cui ciascun tacchetto comprende una pluralità di micro-canali di refrigerazione; in cui ciascun micro-canale di refrigerazione ha un’estremità di ingresso e un’estremità di uscita in comunicazione di fluido con detto volume di fluido lubrificante; e in cui detti micro-canali di refrigerazione sono orientati in modo tale che circolazione di fluido lubrificante nel volume di fluido lubrificante promuove il flusso di fluido lubrificante attraverso i micro-canali di refrigerazione.
2. Il cuscinetto della rivendicazione 1, in cui il cuscinetto è configurato come cuscinetto reggispinta; in cui la superficie portante di ciascun tacchetto è sostanzialmente piana; e in cui ciascun tacchetto ha una superficie laterale circonferenziale interna, una superficie laterale circonferenziale esterna, una superficie laterale radiale più avanzata e una superficie laterale radiale più arretrata.
3. Il cuscinetto della rivendicazione 2, in cui l'estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale più avanzata e l’estremità di uscita di detto almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale più arretrata.
4. Il cuscinetto della rivendicazione 2 o 3, in cui l'estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale più avanzata e l'estremità di uscita di detto almeno un micro-canale di refrigerazione è disposta lungo la superficie laterale circonferenziale esterna.
5. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni 2, 3 e 4, in cui l’estremità di ingresso di almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale circonferenziale interna e l’estremità di uscita di detto almeno un micro-canale di refrigerazione è posizionata lungo la superficie laterale più arretrata.
6. Il cuscinetto della rivendicazione 2, in cui l’estremità di ingresso di ciascun micro-canale di refrigerazione è disposta a una prima distanza radiale dall'asse del cuscinetto e l’estremità di uscita di ciascun micro-canale di refrigerazione è disposta a una seconda distanza radiale dall'asse del cuscinetto, la prima distanza essendo minore della seconda distanza, così che ciascun micro-canale di refrigerazione si estende allontanandosi radialmente dall'asse del cuscinetto dall’estremità di ingresso verso l'estremità di uscita, in modo tale che fluido lubrificante entra in ciascun micro-canale di refrigerazione all'estremità di ingresso ed esce all'estremità di uscita del rispettivo micro-canale di refrigerazione muovendosi in una direzione radiale verso l'esterno.
7. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 6, in cui detti micro-canali di refrigerazione hanno una forma rettilinea o a spirale.
8. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni 2 a 7, in cui in una sezione trasversale di ciascun tacchetto, secondo un piano contenente l'asse del cuscinetto, i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una matrice avente righe di micro-canali di refrigerazione estendentisi in una direzione radiale, una pluralità di dette righe essendo sovrapposte in una direzione assiale.
9. Il cuscinetto della rivendicazione 8, in cui la matrice ha maglie rettangolari o romboidali, i micro-canali di refrigerazione essendo disposti nei nodi delle maglie.
10. Il cuscinetto della rivendicazione 1, in cui il cuscinetto è configurato come un cuscinetto radiale; in cui la struttura di alloggiamento circonda lo spazio di ricezione dell'albero; in cui la superficie portante di ciascun tacchetto è sostanzialmente cilindrica e circola lo spazio di ricezione dell'albero; e in cui ciascun tacchetto ha una superficie laterale più avanzata e una superficie laterale più arretrata estendentisi parallelamente all'asse del cuscinetto.
11. Il cuscinetto della rivendicazione 10, in cui almeno un micro-canale di refrigerazione si estende dalla superficie laterale più avanzata alla superficie laterale più arretrata.
12. Il cuscinetto della rivendicazione 10 o 11, in cui almeno un microcanale di refrigerazione si estende dalla superficie laterale più avanzata ad una superficie tergale del tacchetto.
13. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui in una sezione trasversale di ciascun tacchetto, secondo un piano contenente l'asse del cuscinetto, i micro-canali di refrigerazione sono distribuiti secondo una matrice avente file di micro-canali di refrigerazione estendentisi in una direzione genericamente radiale, una pluralità di dette file essendo disposte sequenzialmente lungo una direzione assiale.
14. Il cuscinetto della rivendicazione 13, in cui la matrice ha maglie rettangolari o romboidali, i micro-canali di refrigerazione essendo disposti nei nodi delle maglie.
15. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti tacchetti sono prodotti per manifattura additiva.
16. Il cuscinetto di una qualsiasi delle clausole precedenti, in cui detti micro-canali di refrigerazione hanno una sezione trasversale ellittica, con un asse maggiore e un asse minore, e in cui l'asse maggiore è parallelo all'asse del cuscinetto.
17. Il cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun tacchetto ha uno strato di nucleo e uno strato di rivestimento, lo strato di rivestimento essendo preferibilmente realizzato in metallo Babbit o metallo bianco; e in cui i micro-canali di refrigerazione sono previsti nello strato di nucleo.
18. Una macchina ruotante comprendente: una cassa; un rotore disposto per ruotare nella cassa e supportato da almeno un cuscinetto secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
19. Un metodo per il funzionamento di un cuscinetto di una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 17, in cui un albero è rotativamente supportato in uno spazio di ricezione dell'albero del cuscinetto, il metodo comprendendo: ruotare l'albero nello spazio di ricezione dell'albero mentre viene alimentato fluido lubrificante fra la struttura di alloggiamento e l'albero ruotante, così da fornire un cuneo di lubrificazione idrodinamica fra la superficie portante dei tacchetti e una superficie dell'albero; e forzare fluido lubrificante a fluire attraverso i micro-canali di refrigerazione.
20. Un metodo per la produzione di un cuscinetto per supportare un albero ruotante attorno ad un asse, il cuscinetto comprendendo una pluralità di tacchetti, in cui ciascun tacchetto è accoppiato ad una struttura di alloggiamento e comprende una superficie portante; il metodo comprendendo la fase di produrre detti tacchetti per manifattura additiva con una pluralità di micro-canali di refrigerazione che si estendono al loro interno e hanno un’estremità di ingresso e un’estremità di uscita su superfici esterne dei tacchetti.