IT9020911A1 - Struttura di cuscinetto per supportare l'albero motore di un compressore centrifugo - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale i compressori centrifughi e, più in particolare, una struttura di cuscinetto per mantenere l'allineamento fra alberi di trasmissione paralleli intercolleganti il motore d'azionamento e la girante del compressore.

Le giranti dei compressori centrifughi sono generalmente condotte ad alte velocità da motori elettrici à velocità relativamente bassa che sono collegati cinematicamente ad essi tramite una trasmissione che include una pluralità di ingranaggi e relativi alberi. Gli ingranaggi e gli alberi, come anche i cuscinetti di supporto, richiedono un alto grado di precisione nel loro posizionamento ed allineamento relativo, per garantire il grado di affidabilità desiderato. In particolare, alberi degli ingranaggi paralleli debbono essere mantenuti in allineamento entro tolleranze strettissime, onde evitare il cedimento precoce dei denti degli ingranaggi in presa e dei cuscinetti di supporto. Se il sistema viene lasciato funzionare con i suoi alberi in condizione di disallineamento, il carico sugli ingranaggi viene a concentrarsi alle estremità dei denti anziché essere distribuito uniformemente su tutta la larghezza dell'ingranaggio' e può alla fine provocare la rottura dell'ingranaggio stesso. Nei cuscinetti, tali disallineamenti provocano analogamente uno spostamento del carico verso una piccola zona localizzata dei cuscinetti, invece della sua distribuzione sull'intera superficie, creando così una condizione di sovrasollecitazione ed infine di rottura. Ciò vale particolarmente nel caso dei cuscinetti reggispinta.

In disposizioni per l'azionamento di compressori in cui il motore è montato a sbalzo (cioè, in cui il relativo rotore è aggettante dalla trasmissione), le probabilità di disallineamento dell'albero aumentano in misura sostanziale poiché l'eccentricità dell'albero all'interno di ciascun cuscinetto compare in sensi opposti. Un altro fattore in gioco nel problema del disallineamento è che nella configurazione a sbalzo, i cuscinetti sono adiacenti uno all'altro e che, dato che una macchina compatta è desiderabile, la campata fra i cuscinetti è limitata, e che questa campata ridotta moltiplica il disallineamento prodotto da un'eccentricità di entità data. Per ragioni di natura economica, l'uso di tale disposizione con rotore a sbalzo si rende però altrimenti desiderabile.

Convenzionalmente, s'impiegano cuscinetti del tiporadente cilindrico per supportare gli alberi di trasmissione nei compressori centrifughi. Tali cuscinetti hanno intrinsecamente giochi interni relativamente grandi per poter operare soddisfacentemente. Questi giochi permettono all'albero di portarsi in una posizione di maggiore eccentricità allorché in condizioni di carico. Così, in una disposizione con rotore a sbalzo, possono facilmente verificarsi disallineamenti riconducenti al problema sopra esposto.

Nell’affrontare un altro problema, a sè stante ed interessante la dinamica del rotore, è stata sviluppata una particolare configurazione di cuscinetto, definito cuscinetto a lobi multipli, per inibire le eccessive vibrazioni laterali dell'albero che tendono a verificarsi in applicazioni che comportano alberi caricati leggermente rotanti ad alte velocità. La principale caratteristica vantaggiosa di un cuscinetto multilobo in tale applicazione è che esso favorisce la "rigidità" del cuscinetto nella direzione radiale. Un tale cuscinetto non è stato però preso in considerazione prima d'ora per supportare un albero a relativamente bassa velocità (cioè, al di sotto dei 4000 giri/minuto) del tipo descritto più sopra, poiché le caratteristiche di maggiore "rigidità" che ne derivano non sono richieste e non giustificherebbero l'aggravio dei costi. Inoltre, i cuscinetti del tipo a lobi sono relativamente nuovi, ed il concetto di utilizzarli principalmente per un'eccentricità ridotta non è stato suggerito, nè ha costituito una soluzione evidente.

Forma perciò uno scopo della presente invenzione il fornire una struttura di cuscinetto perfezionata per la trasmissione di un compressore centrifugo.

Un altro .scopo della presente invenzione è la predisposizione di un compressore centrifugo per mantenere l'allineamento di alberi paralleli nella trasmissione.

Un altro scopo ancora della presente invenzione è la predisposizione di un compressore centrifugo per accogliere una struttura a rotore aggettante senza creare disallineamenti eccessivi degli alberi di trasmissione.

Un ulteriore scopo della presente invenzione è la predisposizione in un compressore centrifugo di un gruppo trasmissione e cuscinetti che sia economico da fabbricare, nonché efficace ed affidabile nell'uso.

Questi scopi sono raggiunti in un apparecchio secondo i preamboli delle rivendicazioni e dalle peculiarità della parte caratterizzante di esse.

In breve, ed in accordo con un aspetto dell'invenzione, l'albero di trasmissione a bassa velocità cui un motore aggettante è attaccato cinematicamente, è supportato da una coppia di cuscinetti multilobo distanziati. In virtù della peculiare geometria interna dei cuscinetti, l'albero sotto carico viene mantenuto in una posizione assai prossima al centro esatto dei cuscinetti, così da inibire il disallineamento assiale dell'albero e da mantenerne la relazione di parallelismo con l'albero condotto ad alta velocità. In questo modo, si riduce sostanzialmente la disuniformità di carico sul ruotismo e sui cuscinetti.

Nei disegni, come descritto più avanti, viene rappresentata una forma realizzativa preferita; tuttavia, possono esservi introdotte varie altre modificazioni e costruzioni alternative, senza con ciò scostarsi dall 'ambito e dallo spirito più autentico dell 'invenzione .

La fig. 1 è una vista in sezione longitudinale di un compressore centrifugo avente la struttura di cuscinetto della presente invenzione, ad esso incorporata.

La fig. 2 è un'illustrazione schematica di un cuscinetto radente cilindrico secondo la tecnica nota.

La fig- 3 è un'illustrazione schematica in condizione di carico.

La fig. 4 è un'illustrazione schematica di un cuscinetto a tre lobi secondo la presente invenzione.

La fig. 5 ne è un'illustrazione schematica in condizione di carico.

Facendo ora riferimento alla fig. 1, l'invenzione vi è indicata complessivamente con 10 e rappresentata come incorporata ad un sistema 11 di compressore centrifugo avente un motore elettrico 12 in corrispondenza di una sua estremità ed un compressore centrifugo 13 in corrispondenza dell'altra sua estremità, i due essendo interconnessi da una trasmissione 14.

Il motore 12 include una carcassa esterna 16 con una bobina statore 17 disposta attorno alla sua circonferenza interna. Il rotore 18 viene quindi disposto rotatoriamente all'interno dell'avvolgimento 17 dello statore per il tramite di un albero 19 del rotore che si aggetta ed è supportato dalla trasmissione 14 in un modo descritto più esaurientemente nel seguito. Dato che il rotore 18 non è supportato in corrispondenza della sua estremità aggettante, ed in cosiderazione dell'importanza critica di mantenere il rotore in una posizione centrale rispetto all'avvolgimento 17 dello statore, è critico che il posizionamento ed il supporto del rotore 18 siano mantenuti entro strette tolleranze. La presente invenzione si propone fra l'altro anche questo scopo.

La trasmissione 14 include una scatola 21 della trasmissione avente una flangia anulare 22 estesa radialmente che è assicurata fra la carcassa 16 del motore ed il carter 23 del compressore da una pluralità di bulloni 24. In tal modo, la scatola 21 della trasmissione viene ad essere sospesa rigidamente all'interno dell'involucro esterno del sistema 11.

Montato rotatoriamente all'interno della scatola 21 della trasmissione, per il tramite di una coppia di cuscinetti 26 e 27 a lobi, distanziati assialmente, si trova un albero 28 della trasmissione che è preferibilmente realizzato di pezzo come prolungamento dell'albero 19 del motore. Il collare 29, che è attaccato od installato mediante montaggio a caldo (o sottozero) è previsto per trasmettere le forze di spinta dall'albero 28 alla porzione reggispinta del cuscinetto 26. L'estremità dell'albero 28 si estende oltre la scatola 21 della trasmissione, dove un ingranaggio conduttore 21 vi è attaccato per il tramite di una piastra 32 di ritegno e di un bullone 33. L'ingranaggio conduttore 31 impegna un ingranaggio condotto 34 che, a sua volta, trascina un albero 36 ad alta velocità per l'azionamento diretto della girante 37 del compressore. Velocità tipiche per i rispettivi alberi sono 3.550 giri/minuto per l'albero 28 della trasmissione e 16.000 giri/minuto per l'albero 36 ad alta velocità. L'albero 36 ad alta velocità è preferibilmente supportato da convenzionali cuscinetti del tipo radente, uno dei quali è indicato con 39, mentre l'altro si colloca nell'alloggiamento 40 in prossimità dell'altra estremità dell'albero 36. E' però da notare che, anche se il funzionamento a basso carico/alta velocità esige un cuscinetto a lobi per uniformità di rigidità e stabilità, sarebbe possibile impiegare cuscinetti a lobi per l'albero 36 ad alta velocità. I cuscinetti lobati non verrebbero però utilizzati per ragioni di allineamento, in quanto le eccentricità dell'albero ad alta velocità si verificano nel medesimo senso in corrispondenza di entrambi i cuscinetti, per cui il vantaggio di una riduzione dello spostamento radiale non si concretizza in questo punto.

Si consideri ora, a scopo di confronto, che per supportare l'albero 28 della trasmissione si utilizzano convenzionali cuscinetti del tipo radente cilindrico. La relazione fra l'albero ed il cuscinetto è illustrata nella fig. 2 in una condizione teorica di carico nullo e nella fig. 3 in una condizione di carico. Nella condizione di carico nullo, l'albero è disposto concentricamente rispetto al cuscinetto con il gioco radiale fra i due che è inevitabilmente relativamente grande. Se a questo punto il cuscinetto viene caricato, parzialmente dalle forze del motore aggettante che agisce sull'albero 28, ma in misura più significativa dalle forze operative esercitate dal ruotismo d'azionamento, l'albero si porterà dalla posizione concentrica verso la parte inferiore del cuscinetto come mostrato in fig. 3. Si noterà che con la rotazione dell'albero 23, l'albero 28 viene ad essere disassato verso sinistra a causa della tendenza dell'olio 41 ad essere attirato in continuità nel cuneo idrodinamico, a destra secondo il punto d'osservazione. La distanza di spostamento dell'albero dal centro del cuscinetto (cioè l'eccentricità) è indicata dalla dimensione "e". Si noterà perciò che con questo cuscinetto convenzionale, l'albero deve essere spostato in misura apprezzabile per consentire la formazione di un cuneo idrodinamico e lo sviluppo della' distribuzione della pressione risultante. Tale grado di spostamento in sensi opposti in corrispondenza dei due cuscinetti, provocherà un'inclinazione sostanziale dell'albero 28 rispetto alla sua relazione di parallelismo con l'albero condotto 36 ad alta velocità provocando perciò usura disuniforme degli ingranaggi 31 e 34.

Considerando ora l'impiego di un cuscinetto lobato secondo la presente invenzione, si fa riferimento alla fig. 4 ed alla fig. 5, nelle quali l'albero 28 è montato in un cuscinetto lobato in condizione di carico nullo (fig. 4) ed in condizione di pieno carico (fig. 5). La particolare configurazione illustrata è un cuscinetto trilobato; 'è però evidente che il numero dei lobi può essere limitato a due od aumentato per variarlo come desiderato, senza con ciò scostarsi dall'ambito della presente invenzione.

Con riferimento in primo luogo alla fig. 4 , si noterà che il cuscinetto lobato non è di forma circolare, ma è piuttosto costituito da tre lobi 42, 43, e 44 che sono in forma di archi di cerchio con centro rispettivamente in 46, 47 e 48. Pertanto, quando la superficie del cuscinetto si associa all'albero circolare in esso disposto, il gioco radiale di lavorazione varia attorno alla circonferenza dell'albero. In corrispondenza del punto medio di ciascuno dei pattini, dove il gioco fra l'albero 28 ed il pattino è ad un minimo, il gioco è tipicamente la metà circa di quello di un cuscinetto radente cilindrico convenzionale. Dato che i cunei idrodinamici indicati rispettivamente con 49, 51 e 52, con il relativo olio trascinato, sono modellati dai profili eseguiti nel cuscinetto, non si richiede alcuno spostamento dell'albero per sviluppare la pressione idrodinamica, come invece nel caso del convenzionale cuscinetto radente. Inoltre, le forze di pressione create da tali cunei, come indicato dalle frecce, agiscono in modo da mantenere la posizione centrale dell'albero, anche se non viene applicato carico. Per facilitare l'afflusso d'olio ai lobi 42, 43 e 44, si prevede in modo convenzionale una pluralità di canali 50, 60 e 70 che interconnettono i lobi e che offrono, per il tramite di giochi maggiorati, cammini di adduzione dell'olio ai cunei.

Quando viene applicato un carico provocando uno spostamento dell'albero all'interno del cuscinetto a cagione delle forze che agiscono sull'albero come mostrato in fig. 4, lo spostamento dell'albero, e perciò l'eccentricità (e), vengono minimizzati. Le forze risultanti che agiscono sull'albero vengono quindi applicate come mostrato nella fig. 5. Si noterà che basta un lieve spostamento dell'albero per generare l'aumento delle forze di pressione necessario a controbilanciare il carico applicato. In questo modo, viene ad essere minimizzato lo spostamento dell'albero sotto carico.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1. Struttura di cuscinetto perfezionata per supportare una disposizione ad albero motore del tipo avente un albero a bassa velocità condotto da un motore attaccato ad un'estremità di esso ed avente in corrispondenza dell'altra sua estremità un ingranaggio per impegnare un ingranaggio coniugato di un albero parallelo a velocità più alta, caratterizzata da: una coppia di cuscinetti (26, 27) distanziati assialmente e montati attorno, nonché fornenti supporto, all'albero (28) a bassa velocità, detti cuscinetti essendo del tipo a lobi multipli, cosicché un disallineamento assiale di detto albero a bassa velocità, rispetto alla sua relazione di parallelismo con detto albero (36) ad alta velocità viene ad essere minimizzato.
2. 2. Struttura di cuscinetto perfezionata secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore (12) è collegato cinematicamente a detto albero (28) a bassa velocità per il tramite di una disposizione a rotore aggettante.
3. 3. Struttura di cuscinetto perfezionata secondo la rivendicazione 1, in cui detta coppia di cuscinetti (26, 27) distanziati assialmente hanno ciascuno almeno due lobi (42, 43, 44) nella loro struttura.
4. 4. Struttura di cuscinetto perfezionata secondo la rivendicazione 1, in cui detta coppia di cuscinetti multilobo, sono collocati uno presso detto ingranaggio (31) e l'altro presso detto motore (12),