DESCRIZIONE dell' invenzione avente per titolo: DESCRIPTION of the invention having as title:
POMPA / COMPRESSORE / DEPRESSORE A DUE PALE RIGIDE FISSATE SUI RISPETTIVI MOZZI COASSIALI, RUOTANTI A VELOCITA' VARIABILE ALL' INTERNO DI UNA CAMICIA CILINDRICA, IN ASSE CON ESSA, PUMP / COMPRESSOR / DEPRESSOR WITH TWO RIGID BLADES FIXED ON THEIR RESPECTIVE COAXIAL HUBS, ROTATING AT VARIABLE SPEED INSIDE A CYLINDRICAL SHIRT, IN AXIS WITH IT,
Il funzionamento è il seguente: due pale A e B rigide (Tav.1-2) ruotano all'interno di una camicia cilindrica C in asse con essa, rigidamente fissate (figg.3 e 5) ai due rispettivi mozzi Ma e Mb solidali coi rispettivi perni Pa e Pb coassiali fra loro; facendo tenuta sui reciproci mozzi, contro il perimetro interno di detta camicia e contro i due coperchi CI e C2 (flg.3) che chiudono il cilindro. Questa geometria permette di creare due camere Ca e Cb (fig.2) delimitate dalla superficie interna del cilindro, dai due coperchi, dai due mozzi e dalle due pale. Lo scopo è quello di ottenere una variazione di volume delle due camere suddette (mentre una aumenta di volume l'altra diminuisce), e conseguentemente di agire meccanicamente su un fluido. Ciò si ottiene facendo ruotare le pale a velocità relativa fra loro, e perchè ciò sia possibile occorre che esse ruotino a differenti velocità. Ma poiché per ovvi motivi geometrici occorre che le due pale compiano un intero giro di 360° nello stesso tempo, altrimenti si urterebbero, è necessario che esse ruotino a velocità variabile; in tal modo pur compiendo l'angolo giro in ugual tempo, all'interno di tale angolo esse coprono contemporaneamente angoli differenti: per cui la velocità rotazionale media è uguale, mentre sono diverse le velocità istantanee. Alla tavola 1 sono indicati alla fig. 1 i punti H e K (punti morti) nei quali le due pale hanno la medesima velocità rotazionale, ma (considerando ad esempio una rotazione in senso orario delle pale) la pala B sta decelerando mentre la A sta accelerando: la B continua a rallentare fino a raggiungere la velocità minima in X (fig.2) dopo di che comincia ad accelerare, mentre la A continua ad accelerare fino a raggiungere la velocità massima in Y per poi cominciare a rallentare. Quando la pala A giunge in H, la B giunge in K ed esse ruotano nuovamente alla stessa velocità: si è compiuto un mezzo ciclo. In definitiva le due pale si rincoirono vicendevolmente avvicinandosi ed allontanandosi due volte al giro, ruotando sempre alia medesima velocità in prossimità dei punti morti H e K e mentre una raggiunge la velocità minima in X l'altra raggiunge quella massima in Y. Si osserva quindi che mentre la pala lenta percorre il settore circolare di angolo R quella veloce ricopre quello di angolo S. Entrambe le camere Ca e Cb passano, una volta al giro, attraverso la situazione di valore massimo Cmax (fig.l) e di valore minimo Cmin: il lavoro per giro che si ottiene da questo cinematismo, ossia la portata, è pari alla variazione di volume delle due camere = 2xCmax-Cmin; mentre il rapporto Cmax/Cmin definisce la differenza di pressione fra le due camere. Se ci poniamo su un sistema di coordinate solidali con una delle due pale vediamo la seconda allontanarsi da una parte e contemporaneamente avvicinarsi dall'altra lungo un arco di circonferenza sotteso da un angolo al centro pari a S-R, per poi vedere il moto invertirsi appena arrivata a fine corsa (punti H e K). Se poi sviluppiamo tale arco di circonferenza lungo una retta, ci troviamo di fronte ad un moto alternato di corsa pari alla lunghezza di tale arco, nella stessa condizione di un pistone a doppio effetto. Operation is as follows: two rigid blades A and B (Tables 1-2) rotate inside a cylindrical jacket C in axis with it, rigidly fixed (figs. 3 and 5) to the two respective integral hubs Ma and Mb with the respective pins Pa and Pb coaxial to each other; making a seal on the reciprocal hubs, against the internal perimeter of said liner and against the two covers C1 and C2 (fig. 3) which close the cylinder. This geometry makes it possible to create two chambers Ca and Cb (fig. 2) delimited by the internal surface of the cylinder, by the two covers, by the two hubs and by the two blades. The purpose is to obtain a volume variation of the two aforementioned chambers (while one increases in volume the other decreases), and consequently to act mechanically on a fluid. This is achieved by making the blades rotate at relative speed between them, and for this to be possible they must rotate at different speeds. But since for obvious geometric reasons it is necessary that the two blades make a full 360 ° turn at the same time, otherwise they would collide, it is necessary that they rotate at variable speed; in this way, even though they complete the round angle in the same time, within this angle they cover different angles at the same time: so the average rotational speed is the same, while the instantaneous speeds are different. In table 1 they are indicated in fig. 1 points H and K (dead points) in which the two blades have the same rotational speed, but (considering for example a clockwise rotation of the blades) blade B is decelerating while A is accelerating: B continues to slow down until it reaches the minimum speed in X (fig. 2) after which it begins to accelerate, while the A continues to accelerate until it reaches the maximum speed in Y and then begins to slow down. When the blade A reaches H, the B reaches K and they rotate again at the same speed: half a cycle has been completed. Ultimately, the two blades found each other approaching and moving away twice per revolution, always rotating at the same speed near the dead points H and K and while one reaches the minimum speed in X the other reaches the maximum speed in Y. It is therefore observed that while the slow blade travels through the circular sector of angle R the fast one covers that of angle S. Both chambers Ca and Cb pass, once per revolution, through the situation of maximum value Cmax (fig.l) and minimum value Cmin : the work per revolution that is obtained from this kinematics, that is the flow rate, is equal to the volume variation of the two chambers = 2xCmax-Cmin; while the ratio Cmax / Cmin defines the pressure difference between the two chambers. If we place ourselves on a coordinate system integral with one of the two blades, we see the second move away from one side and at the same time approach from the other along an arc of circumference subtended by an angle in the center equal to S-R, and then see the motion reverse as soon as it arrives at the end of the stroke (points H and K). If we then develop this arc of circumference along a straight line, we are faced with an alternating motion of stroke equal to the length of that arc, in the same condition as a double-acting piston.
Questo moto rotatorio a velocità variabile può essere ottenuto meccanicamente (Tav.2) tramite quattro ingranaggi ellittici E identici fra loro disposti in due coppie (fig.4) ruotanti attorno ad un fuoco F: in tal modo si ha l'interasse I costante, e i due ingranaggi compiono lo stesso numero di giri pur avendo un rapporto di trasmissione variabile nell'arco dei 360°. Chiamiamo Ea (fig.3) la coppia di ingranaggi azionante la pala A, Eb la coppia azionante la pala B. In entrambe le coppie avremo un ingranaggio motore ruotante a velocità costante e uno condotto che ruoterà quindi a velocità variabile. I due ingranaggi motore fissati sull' albero motore Am sono solidali fra loro sfalsati di 180°, e i due condotti solidali con le pale tramite i rispettivi perni e svincolati fra loro. In fig.3 la pala B è nella posizione X di velocità rotazionale minima di fig.2: si può infatti notare che la sua coppia di ingranaggi ellittici Eb è nel punto di massima riduzione dei giri dell'albero Am; mentre contemporaneamente, la pala A è nella posizione Y di velocità rotazionale massima: si può infatti notare che la sua coppia di ingranaggi ellittici Ea è nel punto di massima moltiplicazione dei giri di Am; come già detto sopra, i due ingranaggi motore sono infatti sfalsati di 180°. Il rapporto asse maggiore / asse minore dell'ellisse primitiva di tali ingranaggi definisce il valore degli angoli R ed S (fig.l) quindi il valore Cmax-Cmin ossia la portata. Aumentando questo rapporto cala il valore di R per cui aumenta Cmax-Cmin e quindi, a parità di numero di giri, la portata. Contemporaneamente aumenta Cmax/Cmin ossia la differenza di pressione fra le due camere. Ovviamente perchè si produca realmente un lavoro (in portata e pressione) occorre che le due camere non siano isolate, ma che possano venire a contatto con l’ambiente esterno alla camera cilindrica tramite due bocchettoni. A seconda della forma e posizione di tali bocchettoni e della sagomatura delle pale, questo cinematismo diventa una pompa o un compressore/depressore. This rotary motion at variable speed can be obtained mechanically (Table 2) by means of four identical elliptical gears E arranged in two pairs (fig. 4) rotating around a focus F: in this way the center distance I is constant, and the two gears perform the same number of revolutions despite having a variable transmission ratio over 360 °. We call Ea (fig. 3) the pair of gears driving the blade A, Eb the torque driving the blade B. In both pairs we will have a motor gear rotating at constant speed and a driven gear that will then rotate at variable speed. The two motor gears fixed on the motor shaft Am are integral with each other offset by 180 °, and the two ducts integral with the blades by means of their respective pins and released from each other. In fig.3 the blade B is in the position X of minimum rotational speed of fig.2: it can in fact be noted that its pair of elliptical gears Eb is at the point of maximum reduction of the shaft revolutions Am; while at the same time, the blade A is in the position Y of maximum rotational speed: it can in fact be noted that its pair of elliptical gears Ea is at the point of maximum multiplication of the revolutions of Am; as already mentioned above, the two motor gears are in fact offset by 180 °. The major axis / minor axis ratio of the primitive ellipse of these gears defines the value of the angles R and S (fig. 1) therefore the value Cmax-Cmin, that is the flow rate. Increasing this ratio decreases the value of R so that Cmax-Cmin increases and therefore, with the same number of revolutions, the flow rate. At the same time, Cmax / Cmin increases, ie the pressure difference between the two chambers. Obviously, in order to actually produce work (in flow rate and pressure) it is necessary that the two chambers are not isolated, but that they can come into contact with the environment outside the cylindrical chamber through two unions. Depending on the shape and position of these unions and the shaping of the blades, this kinematic mechanism becomes a pump or a compressor / depressor.
Nel caso si voglia ottenere una pompa (Tav.3) i due bocchettoni, uno di ingresso e l'altro di uscita del liquido pompato, andranno posti esattamente in prossimità dei due punti morti H e K delle pale (fig.6), l'unico momento in cui esse ruotano alla stessa velocità, per cui la loro velocità relativa si azzera e quindi non vi è variazione di volume delle due camere (in quanto i liquidi sono da considerarsi incomprimibili). In questo punto occorre che entrambe le pale si trovino esattamente di fronte alle due feritoie e che le chiudano completamente in modo da non avere un collegamento diretto fra aspirazione e mandata, cosa che vanificherebbe l'azione pompante. In fig.7 le frecce indicano il senso di flusso del liquido per una rotazione delle pale in senso orario: Ca che si sta allargando è la camera aspirante e Cb che si sta chiudendo la premente. Sagomando opportunamente le pale è possibile ridurre ulteriormente Cmin (fig.6) che è solamente spazio nocivo, e anche se conseguentemente si riduce Cmax, il valore Cmax-Cmin (e quindi la portata) resta invariato, ma Cmax/Cmin (che influisce in modo direttamente proporzionale sulla prevalenza all'avvio quando la pompa è priva di liquido) aumenta parecchio, per cui la pompa è fortemente autoadescante. Essendo poi il sistema simmetrico rispetto all'asse verticale XY (fig.7) è possibile invertire la mandata con l'aspirazione semplicemente invertendo il senso di rotazione delle pale. If you want to obtain a pump (Table 3), the two unions, one for the inlet and the other for the outlet of the pumped liquid, must be placed exactly in proximity to the two dead points H and K of the blades (fig. 6). the only moment in which they rotate at the same speed, so their relative speed is zeroed and therefore there is no variation in the volume of the two chambers (since the liquids are to be considered incompressible). At this point it is necessary that both blades are exactly in front of the two slots and that they close completely so as not to have a direct connection between suction and delivery, which would nullify the pumping action. In fig. 7 the arrows indicate the liquid flow direction for a clockwise rotation of the blades: Ca which is widening is the suction chamber and Cb which is closing the pressure. By appropriately shaping the blades it is possible to further reduce Cmin (fig. 6) which is only harmful space, and even if Cmax is consequently reduced, the value Cmax-Cmin (and therefore the flow rate) remains unchanged, but Cmax / Cmin (which affects in directly proportional to the head at start-up when the pump is devoid of liquid) increases a lot, so the pump is strongly self-priming. Since the system is symmetrical with respect to the vertical axis XY (fig. 7), it is possible to invert the delivery with the suction simply by inverting the direction of rotation of the blades.
Nel caso si voglia ottenere un compressore/depressore (Tav.4) il bocchettone di aspirazione dovrà avere una feritoia ampia al punto da rimanere aperta per tutto il tratto di espansione della camera aspirante Ca (fig.9), la qual cosa permette di lasciar entrare la maggior quantità possibile di fluido (massimizzando, a parità di numero di giri, la portata) e, se utilizzato come depressore, di ottenere la massima espansione che si traduce in depressione; mentre quello di mandata dovrà avere una feritoia più ristretta in modo da aprirsi solo dopo che la camera premente Cb si è ridotta al punto da aver generato al suo interno la pressione desiderata. Ne consegue che più è piccola la feritoia di mandata più elevata sarà la pressione in uscita. In fig.9 le frecce indicano il senso di flusso del fluido per una rotazione in senso orario: la camera aspirante Ca sta completando l'espansione e la premente Cb sta completando la compressione. In questo caso le pale devono essere sagomate in modo da avere una tenuta lungo la circonferenza della camicia sufficientemente lunga da mantenere costantemente chiusa la feritoia del bocchettone di mandata per il tempo necessario ad ottenere la pressione desiderata (fig.9), da ridurre al minimo Cmin (fig.8) (spazio nocivo) e aprire la feritoia di aspirazione alla camera aspirante appena questa comincia ad allargarsi in modo da sfruttare al massimo l'espansione e quindi massimizzare la portata (nel caso venga utilizzato come compressore) e la depressione (nel caso venga utilizzato come depressore). Anche in questo caso, come in quello della pompa, la riduzione di Cmin (e conseguentemente di Cmax) lascia invariato il valore Cmax-Cmin (portata) ma aumenta parecchio il rapporto Cmax/Cmin che influisce in modo direttamente proporzionale sulla prevalenza in aspirazione ossia sulla depressione che il compressore/depressore è in grado di operare. If you want to obtain a compressor / depressor (Table 4), the suction union must have a large slot to the point that it remains open for the entire expansion section of the suction chamber Ca (fig. 9), which allows to leave enter as much fluid as possible (maximizing, with the same number of revolutions, the flow rate) and, if used as a vacuum pump, to obtain the maximum expansion which translates into depression; while the delivery one must have a narrower slot so as to open only after the pressing chamber Cb has reduced to the point of having generated the desired pressure inside it. It follows that the smaller the delivery slot, the higher the outlet pressure will be. In fig. 9 the arrows indicate the flow direction of the fluid for a clockwise rotation: the suction chamber Ca is completing the expansion and the pressure Cb is completing the compression. In this case the blades must be shaped in such a way as to have a seal along the circumference of the jacket long enough to keep the slit of the delivery union constantly closed for the time necessary to obtain the desired pressure (fig. 9), to be reduced to a minimum. Cmin (fig. 8) (harmful space) and open the suction slot to the suction chamber as soon as it begins to widen in order to make the most of the expansion and thus maximize the flow rate (if used as a compressor) and the depression ( in case it is used as a depressor). Also in this case, as in that of the pump, the reduction of Cmin (and consequently of Cmax) leaves the Cmax-Cmin value (flow rate) unchanged but the ratio Cmax / Cmin increases significantly, which directly affects the suction head, i.e. on the depression that the compressor / depressor is able to operate.