ITBO20090442A1 - Rotori per una macchina rotativa a vite - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Rotori per una macchina rotativa a viteâ€

La presente invenzione si riferisce al settore delle macchine rotative a vite. Un esempio tipico, anche se non limitativo, di macchina rotativa a vite à ̈ il compressore a vite. Le macchine rotative a vite possono avere applicazione anche come pompe a vuoto o come motori.

L'invenzione à ̈ stata sviluppata con particolare riguardo a rotori coniugati atti a ruotare attorno ad assi paralleli all'interno di uno spazio di lavoro in una macchina rotativa a vite. I rotori presentano una serie di princìpi che si avvolgono ad elica rispetto all'asse di rotazione dei rotori e che presentano, in una sezione trasversale all'asse di rotazione, profili caratteristici.

Il profilo dei princìpi delle viti ricavate sui due rotori à ̈ diverso per i due rotori. Tipicamente, uno dei due rotori presenta un profilo con una serie di creste, ciascuna costituente un principio di vite, complessivamente convesse, che si impegnano in corrispondenti scanalature, complessivamente concave, ricavate sull'altro rotore. Per semplicità di descrizione, chiameremo nel seguito rotore maschio quello i cui princìpi di vite hanno creste complessivamente convesse, mentre chiameremo rotore femmina quello su cui sono sono ricavate scanalature complessivamente concave, separate le une dalle altre da princìpi di vite che sono conformati in guisa di costole sottili.

La tecnica nota più recente ha proposto svariati profili di rotori on profili asimmetrici, ossia nei quali un fianco della cresta, nel rotore maschio, o della costola, nel rotore femmina, non à ̈ radialmente simmetrico rispetto all'altro fianco, e con numero di princìpi differenti per il rotore maschio ed il rotore femmina (generalmente, con numero di princìpi del rotore femmina, ossia – in sezione – di costole, maggiore del numero di princìpi del rotore maschio, ossia – in sezione – di creste convesse).

La combinazione di profili asimmetrici e numero differente di princìpi nei rotori della tecnica nota più recente, sebbene utile ai fini della efficienza dei profili e perciò della macchina rotativa a vite, comporta diversi svantaggi per quanto riguarda le lavorazioni meccaniche per la produzione della macchina rotativa a vite, sia per quanto riguarda l'economicità che per la precisione. Occorre infatti adoperare due utensili differenti per alesare i due alloggiamenti dei rotori, il che a sua volta comporta un fermo macchina per il cambio utensile. Oltre alla perdita puramente economica di tempo macchina, vi à ̈ un decadimento tecnologico, legato al fatto che il cambio utensile introduce un errore significativo per queste macchine estremamente delicate che richiedono grande precisione.

Con i rotori della tecnica nota risulta complesso l'assemblaggio della macchina rotativa a vite con centraggio in opera, ed inoltre risulta complessa la realizzazione di una macchina che possa funzionare sia da pompa vuoto che come compressore, poiché in questo caso occorre invertire la posizione dei cuscinetti con vincolo assiale.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo due rotori coniugati per una macchina rotativa a vite che possano essere montati agilmente e semplicemente in una macchina rotativa a vite di semplice ed economica realizzazione, e che purtuttavia dimostrino un'efficienza elevata e quantomeno equivalente a quella dei rotori a profilo asimmetrico della tecnica nota più recente ed avanzata.

Un altro scopo dell'invenzione à ̈ quello di fornire due rotori coniugati che risultino di semplice ed economica fabbricazione per la realizzazione di una macchina rotativa a vite che possa funzionare sia come pompa a vuoto che come compressore o motore senza che occorrano modifiche significative.

Al fine di raggiungere gli scopi sopra indicati, l'invenzione ha per oggetto due rotori coniugati definiti nelle rivendicazioni che seguono. In particolare, si à ̈ sorprendentemente scoperto che à ̈ possibile realizzare due rotori con profili asimmetrici che abbiano diametro esterno nominalmente identico, risolvendo così i problemi della tecnica nota sopra evidenziati senza riduzione delle prestazioni e dell'efficienza dei rotori e quindi della macchina a vite in cui sono impiegati.

L'invenzione ha anche per oggetto una macchina rotativa a vite impiegante i rotori suddetti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue di una forma preferita di attuazione, con riferimento alla tavola di disegno annessa, la cui figura 1 unica illustra una sezione trasversale, perpendicolare all'asse di rotazione, di due rotori coniugati secondo la presente invenzione, in cui à ̈ chiaramente visibile il profilo asimmetrico di ciascun rotore e il medesimo diametro esterno per i due rotori.

Con riferimento ora alla figura 1, una coppia di rotori 10, 11 à ̈ destinata ad essere impiegata in una macchina rotativa a vite, ad esempio un compressore o una pompa vuoto, di tipo generalmente noto e pertanto non ulteriormente descritta nel seguito. I rotori 10, 11, presentano rispettivi noccioli centrali 12, 13 che, all'estremità dei rotori, si prolungano a formare gli alberi di rotazione delle viti, sopportati da rispettivi cuscinetti nella scatola o carcassa della macchina rotativa a vite. In alternativa, i rotori 10, 11 possono essere forati per l'alloggiamento di rispettivi alberi ad essi calettati.

I princìpi delle viti dei rotori 10, 11 si svolgono elicoidali lungo l'altezza dei rotori stessi, ed in sezione si presentano come illustrato in figura. In particolare, il rotore maschio 10 presenta una serie di creste 14 complessivamente convesse, corrispondenti alla sezione dei princìpi della vite maschio secondo un piano trasversale all'asse di rotazione O10 del rotore maschio 10. Studi svolti dalla richiedente hanno mostrato che sono da preferire rotori maschi con tre o quattro princìpi, anche se non à ̈ escluso dall'ambito della presente invenzione la realizzazione di rotori maschi con numero di princìpi differente.

Ciascuna cresta 14 presenta una sommità 15, o punto di massimo raggio r10, da cui si sviluppano, su lati opposti, un fianco destro 16 ed un fianco sinistro 17. Le sommità 15 delle creste 14 definiscono un cerchio esterno massimo C10 di diametro d10. Il fianco destro 16 ed il fianco sinistro 17 hanno profili diversi, asimmetrici rispetto al raggio r10 passante per la sommità 15. Fra una cresta 14 e l'altra, il profilo del rotore maschio 10 presenta zone di gola 18 di diametro minimo.

Il rotore femmina 11 presenta una serie di scanalature 18 coniugate alle creste 14 del rotore maschio 10. Fra le scanalature 18 sono interposte costole 19 corrispondenti alla sezione dei princìpi della vite femmina secondo un piano trasversale all'asse di rotazione O11 del rotore femmina 11. Studi svolti dalla richiedente hanno mostrato che sono da preferire rotori femmina con sei o sette princìpi, anche se non à ̈ escluso dall'ambito della presente invenzione la realizzazione di rotori femmina con numero di princìpi differente.

In particolare, gli accoppiamenti preferibili, anche se non limitativi della presente invenzione, sono un rotore maschio a tre princìpi con un rotore femmina a sei princìpi, oppure un rotore maschio a quattro princìpi con un rotore femmina a sette princìpi.

Ciascuna costola 19 del rotore femmina 11 presenta una sommità 20, o punto di massimo raggio r11, da cui si sviluppano, su lati opposti, un fianco destro 21 ed un fianco sinistro 22, rispettivamente coniugati ai fianchi destro 16 e sinistro 17 del rotore maschio 10. Le sommità 20 delle costole 19 definiscono un cerchio esterno massimo C11 di diametro uguale al diametro d10 del rotore maschio 10.

Naturalmente, essendo coniugati dei rispettivi fianchi delle creste 14 del rotore maschio 10, anche il fianco destro 21 ed il fianco sinistro 22 del rotore femmina hanno profili diversi, asimmetrici rispetto al raggio r11 passante per la sommità 20 di ciascuna costola 19.

Vantaggiosamente, si à ̈ trovato che i profili dei rotori raggiungono una buona efficienza se parte del fianco destro 16 e del fianco sinistro 17 del rotore maschio 10 presentano ciascuno un tratto di arco di cerchio, e i due tratti di archi di cerchio hanno entità sensibilmente differente in raggio, pur essendo tangenti: i due tratti di arco di cerchio descrivono rispettivamente una parte del fianco destro 16 ed una parte del fianco sinistro 17.

Ancor più vantaggiosamente, si à ̈ trovato che i profili sono particolarmente efficienti se la tangente comune dei due tratti di archi di cerchio che descrivono rispettivamente parte del profilo del fianco destro 16 e parte del profilo del fianco sinistro 17 del rotore maschio 10 à ̈ perpendicolare ad una retta (r10 in figura) passante per il centro rotore O10 ed il punto comune ai due tratti di circonferenza, cioà ̈ la sommità 15 della cresta 14.

Particolarmente vantaggiosi si sono rivelati rotori coniugati, dove il profilo di una cresta 14 del rotore maschio 10 à ̈ definito da una funzione spline passante per una pluralità di punti nodali aventi coordinate prestabilite, con una tolleranza di ± 1/15, più preferibilmente di ± 1/20, e ancor più preferibilmente ± 1/30 del profilo, ovvero della differenza tra il raggio massimo ed il raggio minimo dei profili teorici. I punti nodali sono definiti da una coppia di valori {X', Y'} espressi in un sistema di coordinate cartesiane aventi origine nel centro O10 del rotore maschio 10. Analoghe considerazioni valgono per il rotore femmina coniugato.

La tolleranza à ̈ misurata in direzione perpendicolare al profilo teorico. Risulta particolarmente agevole valutare la tolleranza descrivendo per ogni punto nodale un cerchio di raggio pari alla tolleranza: la successione dei cerchi consente di comprendere immediatamente se un profilo ricada o meno all'interno della banda rivendicata. Sebbene risulti evidente nella descrizione che segue, si precisa che le origini dei sistemi di coordinate X, Y sono le tracce dell’asse di rotazione dei rotori 10 e 11 su di un piano perpendicolare agli assi stessi, che sono coincidente con i centri O10 e O11 dei cerchi C10 e C11 di massimo diametro dei rotori maschio 10 e femmina 11.

Ai fini pratici risulta vantaggioso se la funzione spline impiegata de scrive gli archi di circonferenza del rotore maschio come sopra definito con un errore di riproduzione tale da essere ininfluente in confronto alla tolleranza di realizzazione.

Nella presente descrizione, con il termine “funzione spline†ci si riferisce genericamente ad una qualunque funzione spline che non introduca errori, oppure a una smoothing spline con parametro di smoothing sufficientemente piccolo da non introdurre errori significativi rispetto ai punti nodali.

In una forma di attuazione preferita, ma non limitativa della presente invenzione, la funzione spline adottata à ̈ una funzione di spline naturale cubica, ossia una funzione spline naturale interpolante di terzo grado.

Sebbene la spline naturale dia alcuni vantaggi teorici, la scelta del genere di spline non à ̈ comunque vincolante, in quanto, a seconda dei casi e ad esempio del formato dati richiesto dalle macchine utensili, il tecnico esperto del settore potrà trovare più conveniente utilizzare funzioni spline differenti, od anche smoothing splines anche perché alcune di queste funzioni spline sono comunemente presenti ed utilizzate nei sistemi CAD e CAD-CAM.

In una forma preferita di attuazione, le coordinate dei punti nodali del rotore maschio sono omotetiche alle coppie di valori {X,Y} della lista riprodotta nella seguente tabella 1.

X Y X Y X Y X Y

50.01 50.01 42.83 1.26 37.06 -4.03 45.21 -14.03 53.80 45.31 41.10 0.29 37.01 -4.30 46.22 -15.46 56.47 39.90 39.43 -0.44 36.89 -5.03 47.25 -17.07 58.05 34.08 39.22 -0.58 36.81 -5.53 48.26 -18.87

58.26 28.03 39.04 -0.71 36.72 -6.12 49.14 -20.91

57.16 22.09 38.86 -0.86 36.73 -6.65 50.00 -23.12

56.59 20.19 38.66 -1.04 36.89 -7.25 50.68 -25.55

55.96 18.30 38.45 -1.24 37.14 -7.73 51.36 -28.14

55.17 16.47 38.24 -1.48 37.80 -8.27 51.82 -30.94

54.37 14.65 38.03 -1.75 38.65 -8.56 52.18 -33.90

53.41 12.91 37.82 -2.07 38.92 -8.67 52.29 -37.03

52.38 11.21 37.61 -2.44 39.33 -8.87 52.13 -40.31

51.31 9.53 37.52 -2.64 39.90 -9.18 51.85 -43.73

50.09 7.96 37.42 -2.85 40.59 -9.61 51.34 -47.28

48.87 6.39 37.34 -3.07 41.39 -10.16 51.13 -48.29

47.51 4.94 37.26 -3.30 42.26 -10.88 50.64 -49.22

46.05 3.59 37.18 -3.54 43.17 -11.78 50.01 -50.01

44.52 2.32 37.11 -3.79 44.15 -12.83

Tabella 1

Il profilo del rotore femmina 11 à ̈ determinato dalla condizione di coniugio, una volta definito il numero di princìpi. Naturalmente, ai fini pratici della realizzazione del rotore femmina, sono apportate quelle piccole modifiche dettate dall'esperienza che consentono di assicurare il corretto gioco di funzionamento e la possibilità di dilatazioni termiche differenziali, anche se tali piccole modifiche non influiscono sul principio fondamentale della presente invenzione.

Nel caso in cui il rotore maschio assuma la configurazione sopra definita, i punti nodali attraverso i quali, analogamente a quanto descritto sopra per il rotore maschio 10 e con le medesime tolleranze, Ã ̈ definito il profilo di una costola 19 del rotore femmina 11, sono definiti da una coppia di valori {X', Y'} espressi in un sistema di coordinate cartesiane aventi origine nel centro O11 del rotore femmina 11, e sono omotetici alle coppie di valori {X,Y} della lista riprodotta nella seguente tabella 2.

X Y X Y X Y X Y

64.14 -29.42 60.73 -23.94 37.10 3.37 50.10 22.92

64.19 -28.09 59.90 -23.78 37.13 4.62 51.59 23.56

63.96 -26.78 58.95 -23.53 37.32 6.43 53.13 24.14

63.50 -25.81 57.94 -23.29 37.71 8.77 54.69 24.74

63.29 -25.60 56.87 -22.98 38.18 10.11 56.33 25.20

63.09 -25.43 55.78 -22.55 38.72 11.42 58.02 25.57

62.88 -25.26 53.40 -21.46 39.30 12.72 59.74 25.94

62.68 -25.11 50.75 -19.96 40.03 13.96 63.13 26.27

62.46 -24.96 47.76 -17.93 40.88 15.13 64.29 27.00

62.25 -24.82 44.60 -14.98 41.74 16.31 64.69 28.32

62.04 -24.69 41.51 -10.86 42.68 17.45 64.31 29.59

61.82 -24.55 39.18 -6.41 43.76 18.49 64.04 30.16

61.60 -24.42 37.89 -2.43 44.87 19.51 63.76 30.70

61.39 -24.29 37.39 0.53 46.04 20.50 62.97 31.79

61.17 -24.16 37.20 2.20 47.34 21.35

60.95 -24.03 37.15 2.68 48.71 22.14

Tabella 2

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Rotori per una macchina rotativa a vite, aventi profili asimmetrici e diametro esterno uguale.
2. 2. Rotori secondo la rivendicazione 1, con numero di princìpi del rotore maschio differente dal rotore femmina.
3. 3. Rotori secondo la rivendicazione 1, con numero di princìpi del rotore maschio pari a tre oppure pari a quattro.
4. 4. Rotori secondo la rivendicazione 3, con numero di princìpi del rotore maschio pari a quattro e numero di princìpi del rotore femmina pari a sette.
5. 5. Rotori secondo la rivendicazione 3, con numero princìpi del rotore maschio pari a tre e numero di princìpi del rotore femmina pari a sei.
6. 6. Rotori secondo la rivendicazione 1, con la testa del dente del rotore maschio che presenta, a partire dal punto a raggio massimo, sui due fianchi, due tratti di archi di cerchio di entità sensibilmente differente in raggio, ma tangenti, i due tratti di arco di cerchio descrivendo rispettivamente, una parte del fianco sinistro ed una parte del fianco destro, il rotore femmina presentando nella zona corrispondente del fondo dente, i rispettivi coniugati.
7. 7. Rotori secondo la rivendicazione 6, in cui la tangente comune dei due archi di cerchio à ̈ perpendicolare ad una retta passante per il centro rotore ed il punto comune.
8. 8. Rotori secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il profilo di ciascuna cresta del rotore maschio e il profilo di ciascuna costola del rotore femmina ricadono entro una banda di tolleranza di ± 1/15, più preferibilmente ± 1/20, e ancor più preferibilmente ± 1/30 rispettivamente dell'altezza del profilo del rotore maschio e della cresta della costola del rotore femmina, rispetto ad un profilo teorico omotetico ad un profilo definito da una funzione spline passante per una pluralità di punti nodali aventi coordinate prestabilite {X,Y} selezionate nel gruppo comprendente le coordinate elencate nelle tabelle 1 e 2, riguardanti rispettivamente una cresta del rotore maschio ed una costola del rotore femmina, riportate anche di seguito: X Y X Y X Y X Y 50.01 50.01 42.83 1.26 37.06 -4.03 45.21 -14.03 53.80 45.31 41.10 0.29 37.01 -4.30 46.22 -15.46 56.47 39.90 39.43 -0.44 36.89 -5.03 47.25 -17.07 58.05 34.08 39.22 -0.58 36.81 -5.53 48.26 -18.87 58.26 28.03 39.04 -0.71 36.72 -6.12 49.14 -20.91 57.16 22.09 38.86 -0.86 36.73 -6.65 50.00 -23.12 56.59 20.19 38.66 -1.04 36.89 -7.25 50.68 -25.55 55.96 18.30 38.45 -1.24 37.14 -7.73 51.36 -28.14 55.17 16.47 38.24 -1.48 37.80 -8.27 51.82 -30.94 54.37 14.65 38.03 -1.75 38.65 -8.56 52.18 -33.90 53.41 12.91 37.82 -2.07 38.92 -8.67 52.29 -37.03 52.38 11.21 37.61 -2.44 39.33 -8.87 52.13 -40.31 51.31 9.53 37.52 -2.64 39.90 -9.18 51.85 -43.73 50.09 7.96 37.42 -2.85 40.59 -9.61 51.34 -47.28 48.87 6.39 37.34 -3.07 41.39 -10.16 51.13 -48.29 47.51 4.94 37.26 -3.30 42.26 -10.88 50.64 -49.22 46.05 3.59 37.18 -3.54 43.17 -11.78 50.01 -50.01 44.52 2.32 37.11 -3.79 44.15 -12.83 Tabella 1 nonché: X Y X Y X Y X Y 64.14 -29.42 60.73 -23.94 37.10 3.37 50.10 22.92 64.19 -28.09 59.90 -23.78 37.13 4.62 51.59 23.56 63.96 -26.78 58.95 -23.53 37.32 6.43 53.13 24.14 63.50 -25.81 57.94 -23.29 37.71 8.77 54.69 24.74 63.29 -25.60 56.87 -22.98 38.18 10.11 56.33 25.20 63.09 -25.43 55.78 -22.55 38.72 11.42 58.02 25.57 62.88 -25.26 53.40 -21.46 39.30 12.72 59.74 25.94 62.68 -25.11 50.75 -19.96 40.03 13.96 63.13 26.27 62.46 -24.96 47.76 -17.93 40.88 15.13 64.29 27.00 62.25 -24.82 44.60 -14.98 41.74 16.31 64.69 28.32 62.04 -24.69 41.51 -10.86 42.68 17.45 64.31 29.59 61.82 -24.55 39.18 -6.41 43.76 18.49 64.04 30.16 61.60 -24.42 37.89 -2.43 44.87 19.51 63.76 30.70 61.39 -24.29 37.39 0.53 46.04 20.50 62.97 31.79 61.17 -24.16 37.20 2.20 47.34 21.35 60.95 -24.03 37.15 2.68 48.71 22.14 Tabella 2
9. 9. Macchina rotativa a vite comprendente una coppia di rotori secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
10. 10. Macchina rotativa a vite secondo la rivendicazione 9, in cui la macchina rotativa à ̈ un compressore a vite o una pompa a vuoto oppure un motore.