ITCO20090050A1 - Stampo per girante centrifuga, inserti per stampo e metodo per costruire una girante centrifuga - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

CAMPO DELL’INVENZIONE

Le realizzazioni dell’oggetto qui divulgate si riferiscono in generale a giranti centrifughe composite per turbomacchine e metodi produttivi collegati, ma non in senso esclusivo, ad applicazioni di petrolio e gas. Altre realizzazioni si riferiscono in generale ad uno stampo per la produzione di detta girante centrifuga, ad alcuni particolari componenti per realizzare questa girante centrifuga con questo stampo e ad una turbomacchina in cui detta girante potrebbe essere usata.

ARTE PRECEDENTE

Un componente della turbomacchina centrifuga è la girante centrifuga, che trasferisce, in generale, energia dal motore che aziona la turbomacchina ad un fluido di lavoro compresso o pompato mediante accelerazione del fluido verso l’esterno dal centro di rotazione; l’energia cinetica impartita dalla girante al fluido di lavoro viene trasformata in energia di pressione quando il movimento verso l’esterno del fluido è limitato da un diffusore e dal telaio della macchina. Questa macchina centrifuga viene denominata, in generale, compressore (se il fluido di lavoro è il gas) o pompa (se il fluido di lavoro è un liquido). Un altro tipo di turbomacchina centrifuga è l’espansore, che utilizza la pressione di un fluido di lavoro per generare lavoro meccanico su un albero servendosi di una girante in cui il fluido può espandersi.

Il brevetto USA 4.676.722 descrive una ruota per un compressore centrifugo composta da una pluralità di cucchiaie caricate con fibra. Uno svantaggio di questa specifica girante è che le varie cucchiaie presentano un rinforzo diretto in fibra, sostanzialmente in direzione radiale, per cui risulta difficile bilanciare la sollecitazione circonferenziale così come viene generata dalle forze centrifughe ad un'elevata velocità di rotazione. Dopo la lavorazione, i settori vengono congiunti gli uni agli altri mediante la forza adesiva di un agente legante, che limita la velocità massima di funzionamento. Inoltre, il metodo di realizzazione in cui l’assieme viene portato in sede da filamenti è limitato a geometrie relativamente semplici (cioè settori a bordo diritto), che possono avere un basso livello di efficienza aerodinamica.

Il brevetto USA 5.944.485 descrive una turbina di materiale composito termostrutturale, in particolare una di grande diametro e un metodo per la realizzazione di una turbina che fornisce accoppiamento meccanico per il suo assieme mediante bulloni, gole, scanalature e così via. Uno svantaggio di questa girante è che l’accoppiamento meccanico non può garantire elevata resistenza ad alta velocità rotazionale, quando si usa o un fluido di lavoro corrosivo o un fluido di lavoro erosivo. Pertanto l’affidabilità di questo componente può diminuire drasticamente. In aggiunta, lo schema di fissaggio del profilo aerodinamico al mozzo fornisce all’utente fibre continue attorno agli angoli interni del passaggio. Dato che queste sono tipicamente zone soggette ad alto grado di sollecitazione, è auspicabile poter disporre di fibre che siano continue, dal profilo aerodinamico alla copertura e dal profilo aerodinamico al mozzo.

Il brevetto USA 6.854.960 descrive una configurazione di girante o elica composite segmentate e un metodo di lavorazione. Lo svantaggio principale di questa girante è che fa affidamento sul legante adesivo per congiungere segmenti identici. Ne consegue che non ha una resistenza meccanica elevata per lavorare ad alta velocità rotazionale e che le forze centrifughe possono separare segmenti identici, distruggendo la stessa girante. Un altro svantaggio è costituito dal fatto che non è possibile realizzare una girante con palette di geometria complessa, come è il caso delle giranti tridimensionali o di analoga configurazione. In generale, uno svantaggio di tutte le predette giranti è che presentano una struttura meccanica relativamente complessa, in quanto sono composte da vari componenti diversi che necessitano di essere realizzati in modo indipendente e quindi di essere montati insieme meccanicamente. Inoltre, i componenti realizzati di fibra devono essere realizzati, in generale, con stampi metallici costosi, con conseguente aumento dei costi di produzione. Oltretutto, per realizzare questi componenti di fibra devono essere utilizzati stampi metallici diversi per ciascuno specifico tipo di girante, il che aumenta in modo significativo il costo di produzione. Ancora, questi assemblaggi meccanici non sono facilmente ottenibili con macchinari automatizzati, incrementando ulteriormente il costo di produzione.

Un altro svantaggio è che le palette di queste giranti non sono protette in nessun modo da particelle solide o acide sospese nel flusso operante, per cui potrebbero verificarsi problemi importanti di erosione e corrosione, con possibile conseguente distruzione del componente.

Un altro svantaggio ancora è costituito dal fatto che può essere difficile realizzare l’assemblaggio meccanico di tutti i componenti necessari ad un funzionamento ottimale della girante ad alta velocità. Per di più, ogni eventuale distorsione generata dalle tensioni e dalle forze create durante l’uso possono causare problemi di funzionamento, in particolare alle alte velocità; possono svilupparsi vibrazioni in corso di funzionamento, provocate dall’usura e/o da un assemblaggio non corretto dei vari componenti. Pertanto, la girante può guastarsi.

A tutt’oggi, nonostante gli sviluppi della tecnologia, questi svantaggi pongono un problema e creano la necessità di produrre giranti centrifughe semplici e poco costose per le turbomacchine in modo ancora più rapido e meno oneroso, producendo al tempo stesso un prodotto finito migliorato e di alta qualità. Esiste una particolare necessità di produrre una girante centrifuga innovativa sfruttando le tecnologie dei compositi e delle fibre, preservando sostanzialmente le proprietà meccaniche, fluidodinamiche e aerodinamiche della girante metallica per utilizzare con efficacia questa girante innovativa nel campo delle turbomacchine. Per sfruttare ancor di più le forze insite nei compositi e garantire un funzionamento sicuro a velocità di punta più elevate di quanto non sia possibile con giranti metalliche convenzionali, sono necessari miglioramenti progettuali.

DESCRIZIONE SOMMARIA

Un oggetto della presente invenzione è produrre uno stampo semplice, rapido ed economicamente poco oneroso per realizzare una girante centrifuga, che superi almeno alcuni degli ostacoli sopra indicati.

Un altro oggetto è sviluppare un metodo per la produzione di detta girante, in particolare un metodo per creare la girante usando materiale composito.

Un ulteriore oggetto è produrre alcuni componenti per realizzare detta girante mediante detto stampo in modo facile ed economicamente poco oneroso.

Secondo un primo aspetto, esiste una girante centrifuga per una turbomacchina, comprendente una pluralità di palette aerodinamiche; ciascuna di queste palette comprendendo pareti interne a cui è associato almeno un elemento di tessuto.

In altri termini, le palette aerodinamiche sono gli spazi vuoti fra pale adiacenti. Durante l’uso della girante, in breve, il fluido operante entra in un foro d’ingresso presente su ciascuna paletta aerodinamica, passa attraverso la paletta in cui il fluido viene sospinto radialmente dalla geometria della paletta stessa mediante rotazione della girante e infine esce attraverso un foro d’uscita presente su ciascuna paletta.

Occorre comprendere che, nella presente descrizione e nelle rivendicazioni accluse, il termine “tessuto” viene usato per implicare una quantità di una o più di una varietà di strutture fibrose tessute in uno schema, ad esempio uno schema a intreccio, uno schema a maglia o un assieme di strati (e non solo configurazioni tessute). Vedere le descrizioni sotto riportate.

In una realizzazione particolarmente vantaggiosa dell’oggetto divulgato, i primi elementi di tessuto sono configurati in modo tale da circondare ciascuna paletta aerodinamica allo scopo di riprodurre sostanzialmente la sagoma della paletta aerodinamica in modo da conservare le caratteristiche aerodinamiche di tale paletta. Il tessuto è composto da fibre vantaggiosamente e preferibilmente continue attorno all’intera superficie di ciascuna paletta, fornendo un elevato grado di resistenza alle sollecitazioni meccaniche generate in questi punti. In tal modo una singola paletta diventa particolarmente resistente alla sollecitazione meccanica e al tempo stesso è in grado di preservarne le caratteristiche aerodinamiche.

In un’altra realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, un secondo elemento di tessuto viene configurato in modo tale da circondare alternamente una parete superiore di una paletta e una parete inferiore di una paletta adiacente, passando lungo la pala corrispondente in mezzo, in modo tale che le caratteristiche aerodinamiche di detta paletta siano preservate.

In un’altra realizzazione vantaggiosa, un terzo elemento in tessuto ha sostanzialmente superficie conica con palette in tessuto che si allungano fuori dalla superficie; queste palette di tessuto sono in grado di riprodurre sostanzialmente le palette della girante finita.

Appare chiaro che le tre predette realizzazioni potrebbero essere realizzate in modi diversi a seconda delle specifiche necessità di lavorazione o d’uso; inoltre non si esclude il fatto di sviluppare queste realizzazioni combinando l’una con l’altra.

In un’altra realizzazione, un componente sagomato viene associato all’interno di ciascuna paletta aerodinamica allo scopo di agire contro fenomeni di erosione e corrosione causati dal fluido operante.

Infatti, il fluido operante potrebbe essere un gas, un liquido o in generale una loro miscela e il processo di erosione e corrosione potrebbe essere aggravato dall’elevata velocità rotazionale della girante, che fa sì che le particelle di liquido o di solido del flusso colpiscano la pala con maggior forza.

In un’altra forma vantaggiosa di implementazione, la girante è composta da un quarto elemento di tessuto disposto sopra le palette aerodinamiche; questo quarto elemento potrebbe sostanzialmente avere forma e funzione ad anello esterno centrifughe.

Per di più, la girante potrebbe comprendere un quinto elemento di tessuto che ha sostanzialmente una sagoma anulare planare che realizza sostanzialmente una piastra posteriore per la girante stessa.

Un sesto elemento di tessuto potrebbe essere montato sotto le palette aerodinamiche; questo elemento ha sostanzialmente una sagoma anulare ed è in grado di essere abbinato alla superficie inferiore esterna delle palette.

Un settimo elemento di tessuto potrebbe essere vantaggiosamente montato attorno ad un foro assiale internamente al quale si trova un rotore della turbomacchina. Il quarto, quinto, sesto e settimo elemento potrebbero essere forniti preferibilmente in combinazione l’uno con l’altro per aumentare la resistenza meccanica della girante finita; tuttavia, va inteso che detti elementi di tessuto potrebbero essere usati da soli o in combinazioni varie a seconda delle specifiche esigenze di lavorazione o d’uso.

In una realizzazione vantaggiosa, tutti i predetti elementi di tessuto – se forniti – sono chiusi o associati nel materiale di riempimento, tipicamente denominato “matrice”, allo scopo di ottenere una sagoma più rigida per la girante.

In una realizzazione particolarmente vantaggiosa, tutti i predetti elementi in tessuto – se forniti – sono abbinati o pressati insieme allo scopo di ridurre al minimo gli spazi vuoti fra di essi. In questo caso, il materiale di riempimento utilizzato per riempire gli spazi fra elementi di fibra adiacenti è ridotto il più possibile, allo scopo di aumentare al massimo la quantità di fibra strutturale all’interno del volume. Ciò aumenterà ulteriormente la resistenza meccanica della girante finita. In un’ulteriore realizzazione vantaggiosa, un’anima interna viene predisposta sotto le palette aerodinamiche allo scopo di agevolare il processo di lavorazione della girante, in particolare per facilitare il deposito in sede di detti quarto, quinto, sesto e settimo elemento di fibra e, se fornita, mettere a disposizione una base per lo spiegamento della fibra. Inoltre, l’anima interna potrebbe essere configurata vantaggiosamente per dare forza e rigidità durante il lavoro della girante finita a velocità rotazionali elevate.

L’anima interna potrebbe essere realizzata almeno con materiale più rigido rispetto al materiale di riempimento prima della polimerizzazione, ad esempio: legno (ad esempio balsa), schiuma (ad esempio resine epossidiche, fenoli, polipropilene, poliuretano, polivinilcloruro PVC, acrilonitrile butadien-stirene ABS, acetato di cellulosa), getto spugnoso (ad esempio carta kraft, carta di aramide, vetroplastica o plastica rinforzata al carbonio, leghe di alluminio, titanio e altre leghe metalliche), polimeri (ad esempio fenoli, polimmidi, polieterimmidi, polieterchetoni) o materiali metallici e altri. In realizzazioni particolarmente vantaggiose, l’anima è composta da cavità non riempite che diminuiscono la densità complessiva dell’anima, in modo tale che risulta sostanzialmente inferiore a quella del tessuto o del materiale di riempimento. Ciò comporterà la presenza di forze di grado inferiore sulla struttura adiacente, se sotto l'impulso di velocità rotazionali elevate.

In realizzazioni particolari, l’anima potrebbe essere circondata, in parte, da almeno uno degli elementi predetti – da solo o in varie combinazioni, se fornito – allo scopo di ottenere un sistema compatto, rigido e resistente.

Secondo una realizzazione preferita dell’invenzione, gli elementi di tessuto sopra indicato sono realizzati da una pluralità di fibre mono- e multidirezionali, realizzate sostanzialmente in modo tale da avere un elevato grado di anisotropia lungo almeno una direzione preferenziale. Queste fibre potrebbero sostanzialmente avere una configurazione a fili, come ad esempio fibre di carbonio, fibre di vetro, quarzo, boro, basalto, polietilene polimerico (come poliammide aromatica o polietilene a catena estesa) e ceramica (come carburo di silicio o allumina) o altri. Non si esclude tuttavia che questi elementi di fibra potrebbero essere realizzati con due o più strati di fibre, con una combinazione di fibre di diversi tipi o con tipi differenti di elementi, come ad esempio elementi granulari, lamellari o sferoidali oppure tessuti lavorati, a maglia, intrecciati, non raggrinziti, o altri tessuti, nastri o stoppe monodirezionali, ovvero qualsiasi altra architettura di fibra. .

Il materiale di riempimento sopra indicato potrebbe essere realizzato con materiale in grado di stare insieme, di distribuire uniformemente le tensioni interne e di fornire un elevato grado di resistenza alle alte temperature e all’usura degli elementi di tessuto; al contrario, gli elementi di tessuto sono in grado, principalmente, di fornire un elevato grado di resistenza alle tensioni durante il funzionamento della girante. Inoltre, il materiale di riempimento può essere predisposto in modo tale da presentare massa specifica o densità basse per ridurre il peso della girante e quindi la forza centrifuga generata durante il funzionamento. Il materiale di riferimento potrebbe preferibilmente essere materiale polimerico organico, naturale o sintetico, i cui componenti principali sono polimeri con molecole ad elevato peso molecolare e formati da un consistente numero di unità base (monomeri), tenute insieme da legami chimici. Strutturalmente, queste molecole possono essere formate da catene lineari o ramificate, aggrovigliate le une alle altre, o lattici tridimensionali, principalmente composti da atomi di carbonio e di idrogeno e, in alcuni casi, ossigeno, azoto, cloro, silicio, fluoro, zolfo e altri. In generale, i materiali polimerici sono un’ampia famiglia di centinaia e centinaia di sostanze diverse.

Uno o più composti ausiliari possono anche essere aggiunti ai materiali polimerici, come micro- o nanoparticelle, che hanno diverse funzioni a seconda delle esigenze specifiche, ad esempio, per rafforzare, indurire, stabilizzare, preservare, liquefare, colorare, decolorare o proteggere il polimero dall’ossidazione.

In una forma vantaggiosa di implementazione dell’invenzione, il materiale di riempimento polimerico è costituito, almeno parzialmente, da un polimero termoplastico come PPS (solfuri di polifenilene), PA (poliammide o nylon), PMMA (o acrilico), LCP (polimero di cristalli liquidi), POM (acetale), PAI (poliammide immide), PEEK (poli-etereter-chetone), PEKK (poli-eter-chetone-chetone), PAEK (poli-aril-eterketone), PET (polietilen tereptalato), PC (policarbonato), PE (polietilene), PEI (poli-eter-immide), PES (polietere), PPA (poliptalammide), PVC (cloruro di polivinile), PU (poliuretano), PP (polipropilene), PS (polistirene), PPO (ossido di polifenilene), PI (polimmide; come termoregolatore) o altro ancora. Per applicazioni a temperature particolarmente elevate sono preferibili varie poliammidi come le resine di reattante monomerico polimerizzato (PMR), 6F-poliimmidi con endcap di feniletile (HFPE) e oligomeri di immide terminata con feniletile (PETI).

In un’altra forma vantaggiosa di implementazione dell’invenzione, il materiale di riempimento polimerico è almeno parzialmente costituto da un polimero di termoregolazione, come resina epossidica, fenolo, poliestere, vinilestere, ammina, furano, PI (esiste anche come materiale termoplastico), BMI (bismaleimmidi), CE (estere cianato), ftalanonitrile, benzossazine o altro ancora. Per applicazioni a temperature particolarmente elevate sono preferibili varie poliammidi, come resine di reattante monomerico polimerizzato (PMR), 6F-poliimmidi con endcap di feniletile (HFPE) e oligomeri di immide terminata con feniletile (PETI).

Secondo un’altra realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, il materiale di riempimento è composto da materiale ceramico (come carburo di silicio o allumina o altro) o anche, almeno parzialmente, da un metallo (come alluminio, titanio, magnesio, nichel, rame o loro leghe), carbonio (come nel caso dei compositi carbonio-carbonio) o altri.

Un vantaggio della girante creata secondo l’invenzione è che presenta caratteristiche di alta qualità e innovative.

In particolare, la girante è estremamente leggera ma al tempo stesso possiede un’eccezionale resistenza nei confronti della girante nota realizzata in metallo, usata nel campo delle turbomacchine (in quanto a elevata velocità rotazionale ed elevato rapporto di pressione).

Infatti, una girante metallica tradizionale potrebbe pesare da circa 10 a circa 2000 kg, a seconda delle dimensioni della girante stessa e la girante dell’invenzione potrebbe pesare da circa 0,5 a 20 kg (per lo stesso tipo di girante). Pertanto la riduzione di peso è maggiore del 75%.

Un altro vantaggio è che la girante realizzata secondo l’invenzione potrebbe essere utilizzata con molti fluidi di diverso tipo (liquido, gas o miscele di detti) e con fluidi che presentano caratteristiche corrosive ed erosive in alto grado.

Un ulteriore vantaggio viene dal fatto che è particolarmente poco onerosa dal punto di vista economico ed è semplice da riprodurre e da gestire. Si veda la descrizione di seguito.

Un altro vantaggio è che è particolarmente facile applicare più componenti o elementi per migliorare la qualità o le caratteristiche meccaniche della girante finita secondo i requisiti specifici, come i componenti sagomati o gli elementi di fibra realizzati secondo una sagoma specifica o altro.

Ancora, un altro vantaggio è che la girante realizzata secondo l’invenzione potrebbe essere di diversi tipi, pur preservando al tempo stesso caratteristiche aerodinamiche e meccaniche. Ad esempio, la girante potrebbe essere una girante tridimensionale, una girante bidimensionale o altro.

In base ad un secondo aspetto, esiste una turbomacchina in cui viene implementata almeno una girante centrifuga come descritto sopra.

In particolare, questa turbomacchina potrebbe essere un compressore centrifugo (per gas) o una pompa (per liquido) o ancora potrebbe essere un espansore centrifugo; in ogni caso, la turbomacchina ha preferibilmente una pluralità di queste giranti associate ad un albero comune di metallo o altro materiale (ad esempio, materiale composito). Secondo un terzo aspetto, esiste uno stampo per realizzare una girante centrifuga per una turbomacchina, costituito almeno da un inserto anulare comprendente una pluralità di inserti di palette aerodinamiche riproducenti le palette aerodinamiche della girante finita.

In particolare, l’inserto anulare potrebbe essere realizzato da un singolo pezzo o, preferibilmente, congiungendo insieme una pluralità di pezzi; vedere qui sotto.

Lo stampo comprende preferibilmente e vantaggiosamente una piastra base che ha una faccia interna e una faccia esterna, detta faccia interna essendo configurata in modo tale da riprodurre una superficie posteriore della girante e detta faccia esterna essendo realizzata in modo tale da essere sostanzialmente opposta alla faccia interna; un anello superiore che ha una faccia interna e una faccia esterna, detta faccia interna essendo configurata in modo tale da riprodurre una superficie anteriore della girante e detta faccia esterna essendo realizzata in modo tale da essere sostanzialmente opposta alla faccia interna.

In altre realizzazioni, lo stampo comprende i predetti elementi di tessuto, che hanno preferibilmente e vantaggiosamente una sagoma (semi)rigida e che sono realizzati separatamente prima di essere inseriti nello stampo.

In una realizzazione particolarmente vantaggiosa dell’invenzione, lo stampo comprende l’anima interna associata sotto lo sbozzato della girante centrifuga, sopra la piastra base; l’anima interna potrebbe essere ottenuta in molteplici altre realizzazioni secondo le diverse esigenze tecniche o i diversi requisiti d’uso. Vedere quanto descritto di seguito. In un'altra realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, lo stampo comprende una pluralità di componenti sagomati in grado di essere associati su una superficie esterna di ciascun inserto della paletta aerodinamica; detti componenti sagomati sono configurati in modo tale da agire contro l’erosione e la corrosione del fluido operante durante il funzionamento della girante finita.

In particolare, questi elementi sagomati potrebbero essere associati fra uno dei predetti elementi di tessuto e le superfici dell’inserto anulare corrispondenti alle pareti della palette, in una posizione in cui il processo di erosione e corrosione causato dal flusso di lavoro è maggiore.

Potrebbe essere predisposto un sistema di chiusura per chiudere la preforma fra la piastra base e l’anello superiore allo scopo di centrare e bloccare lo sbozzato di girante fra di essi. Questo sistema potrebbe essere realizzato in una pluralità di tipi diversi, ad esempio in un sistema meccanico (perni di centraggio, viti o altro), in un sistema geometrico (fori sagomati, scanalature sagomate, denti sagomati, superfici sagomate o altro) o in altri sistemi.

Un sistema d’iniezione viene predisposto per iniettare il materiale di riempimento all’interno dello stampo mediante canali d’iniezione realizzati all’interno della piastra base e/o dell’anello superiore.

Un vantaggio dello stampo secondo la presente invenzione è che la girante finita prodotta dallo stampo è di alta qualità e presenta le predette caratteristiche innovative nel campo delle turbomacchine.

Un altro vantaggio è il fatto che il materiale utilizzato per l’inserto anulare potrebbe essere di costo abbastanza contenuto e di facile lavorazione, come schiuma o ceramica ad alta densità.

Inoltre il materiale è molto compatto e al tempo stesso estremamente versatile, in quanto è possibile realizzare molte giranti di tipo diverso fornendo un inserto anulare con geometria e sagoma specifiche (in particolare giranti bi- o tridimensionali).

Un altro vantaggio ancora del design dello stampo è che consente infusione e sinterizzazione a fase unica del materiale di riempimento attraverso la parte intera. Ciò fornisce una parte ad alta resistenza ed elimina la necessità di operazioni secondarie di giuntura, come creazione di legami, lavorazioni o fissaggi meccanici, che possono essere costose e lunghe. Inoltre, viene eliminata la possibilità di contaminazione della parte o danno da manipolazione fra un’operazione e l’altra.

Secondo un quarto aspetto, esiste un inserto di paletta aerodinamica configurato in modo tale da riprodurre almeno una paletta aerodinamica della girante centrifuga finita, in modo tale da preservare le caratteristiche aerodinamiche della paletta della girante finita.

Vantaggiosamente, l’inserto di paletta aerodinamica comprende almeno una regione centrale configurata in modo tale da riprodurre correttamente la paletta aerodinamica e le regioni terminali configurate in modo tale da essere associate alle regioni terminali di un inserto adiacente che forma l’assieme anulare.

In una realizzazione particolarmente vantaggiosa, queste regioni terminali sagomate sono configurate in modo tale da essere associate a regioni terminali di un inserto adiacente per creare i rispettivi fori d’accesso e d’uscita del fluido operante e per manipolare e posizionare l'inserto all'interno dello stampo e contenere canali di resina. Per di più, le regioni terminali sagomate potrebbero essere fornite di elementi di tenuta per evitare perdite durante l’iniezione del materiale di riempimento.

In una realizzazione preferita, gli inserti di paletta aerodinamica sono realizzati in almeno un pezzo singolo; ciò tuttavia non esclude il fatto che gli inserti potrebbero essere realizzati in due o più pezzi o, al contrario, un singolo inserto potrebbe produrre due o più palette aerodinamiche, secondo le specifiche realizzazioni.

Il vantaggio di questo aspetto dell’invenzione è che consente la fabbricazione di palette con geometria 3D complessa in modo tale da poter prontamente rimuovere gli inserti dalla girante, una volta sinterizzato il materiale di riempimento.

Secondo un'altra realizzazione esemplificativa ancora, un inserto di paletta aerodinamica viene congiunto agli altri inserti di paletta per formare un assieme anulare che riproduca tutte le palette aerodinamiche della girante finita, in modo tale da preservare le caratteristiche aerodinamiche delle palette della girante finita.

Questo inserto anulare potrebbe essere realizzato anche in un singolo pezzo. Vedere quanto descritto di seguito.

In una realizzazione preferita, l’inserto anulare comprende, preferibilmente e vantaggiosamente, una prima faccia, una seconda faccia, una pluralità di scanalature sagomate e un foro assiale.

La prima faccia è configurata in modo tale da riprodurre la superficie superiore dell’assieme anulare di tutte le palette aerodinamiche della girante finita; la seconda faccia è sostanzialmente opposta alla prima faccia e configurata in modo tale da riprodurre la superficie inferiore del predetto assieme anulare; la pluralità delle scanalature sagomate è predisposta in modo tale da riprodurre sostanzialmente le pareti laterali delle palette; e il foro assiale riproduce sostanzialmente il foro assiale della girante finita in cui viene inserito un rotore della turbomacchina. Vantaggiosamente, l’inserto di paletta aerodinamica e l’inserto anulare possono essere realizzati in materiale adeguato secondo il processo di fabbricazione o il tipo di girante finita; il materiale potrebbe essere un materiale solubile o frangibile, riformabile o solido, estraibile in diversi pezzi, come – ma non in senso limitativo – metallo, ceramica, polimero, legno o cera. Alcuni esempi specifici possono essere: ceramica idrosolubile (ad esempio Aquapour™ della Advanced Ceramics Manufacturing), materiali con cambiamento di stato (ad esempio "Rapid Reformable Tooling Systems" della 2Phase Technologies), polimeri a memoria di forma (ad esempio Veriflex® Reusable Mandrels della Cornerstone Research Group).

Un vantaggio degli inserti di paletta aerodinamica e dell’inserto anulare secondo la presente invenzione è che sono in grado di realizzare una girante finita di alta qualità e con caratteristiche innovative nel campo delle turbomacchine.

Un ulteriore vantaggio è che sono estremamente versatili, in quanto è possibile realizzare diversi tipi di palette aerodinamiche mantenendo una specifica geometria e sagoma, ad esempio le giranti bi- o tridimensionali o altre.

Un altro vantaggio ancora è – in generale – il fatto che la girante finita potrebbe essere realizzata in singola iniezione e non richiede assemblaggio e legami successivi. Ciò reduce i tempi di realizzazione e migliora l’integrità strutturale della parte. Tuttavia, non esclude l'iniezione e la sinterizzazione individuale di ciascuna paletta e quindi la combinazione di dette palette in una fase successiva con mozzo e anello esterno.

Secondo un quinto aspetto, esiste uno stampo per realizzare una girante centrifuga per una turbomacchina, costituito almeno da una fase che prevede la realizzazione di un inserto anulare comprendente una pluralità di inserti di palette aerodinamiche riproducenti le palette aerodinamiche della girante finita, in modo tale che dette caratteristiche aerodinamiche delle palette e della girante finita siano preservate.

Le palette aerodinamiche sono gli spazi vuoti fra due pale adiacenti attraverso cui il liquido operante può scorrere quando la girante è in funzione. Vedere anche la descrizione sopra riportata.

In una realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, questo metodo comprende una fase di costruzione di una pluralità di inserti di paletta aerodinamica ottenuti nel predetto materiale adeguato, ciascuno dei quali riproduce almeno una paletta aerodinamica della girante e ciascuno dei quali è configurato in modo tale da associarsi l’uno con l’altro allo scopo di realizzare l’inserto anulare.

In una realizzazione alternativa dell’invenzione, viene fornita una fase per la costruzione di un inserto anulare da un pezzo singolo, usando uno stampo specifico.

In un’altra realizzazione dell’invenzione, viene fornita una fase per costruire un primo elemento di tessuto in grado di essere associato attorno a ciascuno di detti inserti paletta aerodinamica.

In un’altra realizzazione ancora, viene fornita un’altra fase per costruire un secondo elemento di tessuto in grado di essere associato ad una parete superiore di una paletta e ad una parete inferiore della paletta adiacente dell’inserto anulare.

Inoltre, vengono predisposte altre fasi per costruire un terzo elemento di tessuto in grado di formare continuativamente una pluralità di pareti di pale e una parete fra le pale.

Appare tuttavia chiaro che potrebbero esserci svariate modalità di costruire elementi di tessuto e di associarli agli inserti girante secondo le esigenze di assemblaggio o applicazione.

In un’altra realizzazione dell’invenzione, viene predisposta un’altra fase per associare almeno un componente sagomato alla superficie esterna di ciascun inserto di paletta aerodinamica prima di associare l’elemento di tessuto ad esso. In tal modo è possibile racchiudere l’elemento sagomato fra l’inserto di paletta aerodinamica e il rispettivo elemento di tessuto.

In un’altra realizzazione ancora dell’invenzione, un’ulteriore fase consiste nell’associare un’anima interna sotto l’inserto anulare allo scopo di fornire forza e rigidità superiori durante il funzionamento della girante finita ad elevate velocità rotazionali e, al tempo stesso, facilitarne la realizzazione fornendo una base solida per lo spiegamento delle fibre.

Vantaggiosamente il materiale di riempimento potrebbe essere inserito all’interno dello stampo mediante un processo d’infusione, come stampaggio con trasferimento di resine (RTM), stampaggio con trasferimento di resine sotto vuoto (VARTM), stampaggio ad iniezione con reazione strutturale (SRIM), stampaggio ad iniezione con reazione rinforzata (RRIM) o altri. Appare chiaro che ciò non esclude l’uso di altri metodi secondo esigenze specifiche di costruzione o d’uso.

In un’altra realizzazione preferita, viene fornita un’altra fase per rimuovere l’inserto anulare dopo il processo di infusione e sinterizzazione del materiale di riempimento; ciò potrebbe essere ottenuto mediante flussaggio di liquido o gas in caso di inserto solubile, mediante riscaldamento in caso di inserto fondibile, mediante rottura in caso di inserto frangibile o mediante progettazione della geometria dell’inserto anulare, in modo tale da poter essere rimosso senza modifica, in caso di inserto solido. In ogni caso, questa fase di rimozione è tale per cui l’inserto anulare potrebbe essere estratto o dissociato dalla girante finita dopo il processo d’infusione in modo tale da preservare le caratteristiche aerodinamiche delle palette della girante finita.

In un’altra realizzazione preferita, viene fornita anche un'ulteriore fase per realizzare interamente o parzialmente gli inserti delle palette aerodinamiche e l’inserto anulare, usando una tecnica di costruzione supplementare per ridurre al minimo le necessità di lavorare gli inserti. Questi metodi supplementari includono, ma non in senso limitativo, stereolitografia, modellizzazione a deposito fuso, sinterizzazione laser e fusione a fascio elettronico. La scelta del metodo dipenderà da molti fattori inclusa la temperatura dello stampaggio e le tolleranze dimensionali desiderate della girante. Ciò è particolarmente interessante per applicazioni in cui verranno prodotte piccole quantità di giranti con uguale sagoma.

In un’altra realizzazione preferita ancora, tutti gli inserti o parte di essi sono fusi utilizzando stampi realizzati secondo uno dei metodi supplementari di costruzione sopra indicati. In questo caso, il materiale dell’inserto potrebbe essere composto da una ceramica solubile.

Un vantaggio del metodo secondo l’invenzione è che la girante finita realizzata in base al metodo è di alta qualità e presenta le predette qualità innovative nel campo delle turbomacchine.

Un altro vantaggio è che è particolarmente facile fornire ulteriori fasi per aggiungere componenti o elementi per migliorare la qualità o le caratteristiche meccaniche della girante finite secondo i requisiti specifici.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che questo metodo è estremamente versatile, in quanto è possibile realizzare diversi tipi di giranti mantenendone le caratteristiche aerodinamiche e meccaniche, ad esempio le giranti bi- o tridimensionali o altre.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione sarà più evidente se si seguiranno la descrizione e i disegni d’accompagnamento, che mostrano schematicamente e non in scala realizzazioni pratiche non limitanti. Più specificamente, nei disegni, dove i numeri indicano le stesse parti o parti corrispondenti: Figure 1A, 1B and 1C mostrano sezioni trasversali di una girante secondo varie realizzazioni;

Figura 2 mostra una vista d’assieme esplosa di uno stampo secondo una delle realizzazioni dell’invenzione;

Figura 3 mostra una vista laterale esplosa di uno stampo analogo alla Fig. 2;

Figura 4 mostra un componente per lo stampo di Fig.3;

Figure 5 e 6 mostrano una pluralità di viste di un componente dello stampo di Fig.2 o 3;

Figure 7 e 8 mostrano altri componenti conformi a realizzazioni particolari dell’invenzione;

Figure 9A, 9B e 9C mostrano un corrispondente elemento di fibra conforme a realizzazioni particolari dell’invenzione;

Figura 10 Mostra una sezione trasversale dello stampo delle Figg. 2 o 3; e

Figure da 11A a 11L mostrano una pluralità di fibre usate con diverse realizzazioni dell’invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI ALCUNI REALIZZAZIONI PREFERITE DELL’INVENZONE

Nei disegni, in cui gli stessi numeri corrispondono alle stesse parti in tutte le varie Figure, una girante centrifuga finita per una turbomacchina secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione è genericamente indicata con il numero 10A, vedere la Figura 1A. Questa girante 10A comprende una pluralità di palette aerodinamiche 13 formate tra le pale aerodinamiche 15 realizzate con primi elementi di tessuto 1A (vedere anche la Fig. 9A) e impregnate di un primo materiale riempitivo M, tipicamente noto come "matrice". È evidente che il numero e la forma degli elementi di tessuto, delle pale aerodinamiche, e delle corrispondenti palette varierà in funzione della particolare forma di realizzazione della girante. Si veda la descrizione di cui sopra.

Un fluido operante entra nel foro di ammissione di ciascuna paletta 13 lungo una direzione di entrata A, attraversa la paletta 13, ed esce dai fori di efflusso della stessa paletta lungo una direzione B.

Un componente sagomato 19 – non raffigurato in scala in Fig.1A – è disposto su una parete inferiore 13I della paletta 13 tra ogni pala 15 per evitare l’erosione del fluido operante durante il funzionamento della girante 10A. Un quarto elemento di tessuto 4 è vantaggiosamente previsto sopra la paletta 13 con una funzione e una forma ad anello esterno sostanzialmente centrifughe. Un elemento anima interna 21 è associato alle palette 13 e potrebbe essere circondato da una pluralità di ulteriori elementi di tessuto 5, 6, 7. Si veda la descrizione di seguito. Nella forma di realizzazione (si veda anche la descrizione della Fig. 7), questo componente sagomato 19 riproduce sostanzialmente la forma delle pareti inferiori 13I della paletta 13 in cui il processo di erosione provocato dal flusso del fluido operante potrebbe essere maggiore; tuttavia non è da escludere che questi componenti 19 possano essere realizzati con altre forme o con materiali diversi. Si veda la descrizione di seguito.

La Fig.1B rappresenta una seconda forma di realizzazione in cui una girante 10B è provvista di un secondo elemento di tessuto 1B (si veda anche la descrizione di Fig. 9B), configurato in modo tale da circondare alternamente una parete superiore di una paletta 13 e una parete inferiore di una paletta adiacente 13 continuando lungo la rispettiva pala 15 in mezzo a queste.

La Fig. 1C rappresenta una terza forma di realizzazione in cui una girante 10C è provvista di un terzo elemento di tessuto 1C (si veda anche la descrizione di Fig. 9C), configurato in modo tale da formare le pale 15 e una parete superiore 13S della paletta 13 tra ciascuna pala 15; questo terzo elemento di tessuto 1C è composto sostanzialmente da una piastra anulare con una pluralità di lamine sagomate che si allungano fuori dalla piastra per formare le pale.

In entrambe le forme di realizzazione 10B e 10C sarebbe possibile prevedere i medesimi elementi descritti nella prima forma di realizzazione di Fig. 1A, mostrati nelle figure stesse, come il componente sagomato 19, l’anima interna 21, e altri.

In Fig. 2 è rappresentata una vista esplosa di uno stampo 100 per fabbricare detta girante centrifuga 10A, 10B o 10C, comprendente fondamentalmente un inserto anulare 110 (anch’esso mostrato in vista esplosa in questa Figura) e l’elemento anima centrale 21 tra una piastra di base 113 e un anello superiore 115.

L’inserto anulare 110 è ottenuto, in questa particolare forma di realizzazione, associando una pluralità di inserti di paletta aerodinamica 200, ciascuno dei quali riproduce una paletta aerodinamica 13 della girante finita, per formare un assieme sostanzialmente anulare o toroidale. Vedere quanto descritto di seguito.

La piastra di base 113 ha una faccia interna 113A configurata in modo da riprodurre una superficie posteriore della girante finita 10A, 10B o 10C e una faccia esterna 113B sostanzialmente opposta alla faccia esterna 13A. L’anello superiore 115 ha una faccia interna 115A, configurata in modo da riprodurre una superficie anteriore della girante e una faccia esterna 115B sostanzialmente opposta alla faccia interna 115A.

L’elemento anima interna 21 è associato all’inserto anulare 110 e presenta una prima faccia interna 21A (si vedano anche le Figg. 2, 3 e 9), una seconda faccia opposta 21B e un foro assiale 21C. Il primo lato 21A ha vantaggiosamente una forma avvolgente, simile a una campana, o a un tulipano configurato in modo da combaciare con la superficie interna dello sbozzato 110; il secondo lato opposto 21B è configurato in modo da riprodurre sostanzialmente la superficie posteriore della girante finita e il foro assiale 21C può essere associato a un albero R di una macchina in cui sia possibile installare la girante finita.

In questo disegno, l’elemento anima 21 è circondato da un quinto elemento fibra 5, un sesto elemento fibra 6, e un settimo elemento fibra 7. Si veda la descrizione di seguito.

Si noti come in questi disegni la forma dell’elemento anima 21 sia rappresentata in modo da riempire completamente lo spazio tra l’albero e lo sbozzato 110; ciò non esclude la possibilità di realizzare l’elemento anima 21 in modo da riempire parzialmente questo spazio al fine di diminuire le sollecitazioni e al tempo stesso il peso della girante finita. In un’altra vantaggiosa forma di realizzazione, questi ulteriori elementi di tessuto 5, 6 e 7 potrebbero non essere previsti qualora l’elemento anima 21 sia realizzato con materiale metallico.

Inoltre, sarebbe possibile prevedere cavità o fori sagomati sull’elemento anima 21 realizzato con materiale metallico e al loro interno inserire parte degli elementi di tessuto per fissare su esso in modo più stabile tali elementi.

Inoltre, in Fig. 2 è rappresentato un sistema di chiusura 119 che comprende – in questa vantaggiosa forma di realizzazione – una pluralità di perni di chiusura 119A fissati sul bordo della faccia interna 113A della piastra di base 113 e corrispondenti fori di chiusura 119B realizzati sul bordo della faccia interna 115A dell’anello circolare 115; fori d’inserimento 119C sono previsti su ciascun inserto di paletta aerodinamica 200 in una particolare posizione; si veda la descrizione di seguito.

È evidente che il sistema di chiusura 119 è descritto qui come un esempio di una realizzazione; tale sistema è in grado di variare enormemente in funzione della particolare forma di realizzazione.

In Fig. 2 è inoltre rappresentato un inserto assiale 121 tale per formare il foro assiale 21C della girante finita realizzata con uno specifico materiale, infine lo stesso materiale dello sbozzato 110 e/o degli inserti 200.

Si noti come la Fig. 2 rappresenti anche una pluralità di primi elementi di tessuto 1A, ciascuno dei quali associato alla superficie esterna di un rispettivo inserto di paletta aerodinamica 200; è evidente che lo stampo 100 possa comprendere anche il secondo e il terzo elementi di tessuto 1B e rispettivamente 1C (non raffigurati in Fig. 2 per semplicità) in modo da realizzare la girante finita raffigurata schematicamente in Fig. 1B e rispettivamente 1C.

La Fig. 3 raffigura una vista esplosa laterale di uno stampo simile a quello di Fig. 2 in cui gli inserti 200 sono associati tra loro per formare l’inserto anulare 110. In questa figura, per semplicità, non vengono rappresentati né il primo elemento di tessuto 1A né il secondo o il terzo elemento di tessuto 1B e 1C.

Inoltre, in questo disegno sono raffigurati il quarto, il quinto e il sesto elemento di tessuto 4, 5, 6 che potrebbero essere previsti all’interno dello stampo 100 per formare la girante finita in una forma di realizzazione vantaggiosa dell’invenzione.

In particolare, il quarto elemento di tessuto 4 è configurato in modo tale da essere associato tra l'inserto anulare 110 e l’anello superiore 115; il quinto elemento di tessuto 5 è configurato in modo tale da essere associato tra l’anima 21 e il lato interno 113A della piastra di base 113; il sesto elemento di tessuto 6 è configurato tale da essere associato tra l’inserto anulare 110 e l’anima 21; il settimo elemento di tessuto 7 è configurato in modo tale da essere associato all’interno del foro assiale 21C dell’anima 21. Questi elementi di tessuto 4, 5, 6, 7 potrebbero essere impregnati con il primo materiale di riempimento M durante il processo di fabbricazione.

Inoltre, in Fig. 3 è rappresentato l’inserto anulare 110 parzialmente in sezione e configurato in modo da riprodurre un assieme anulare di una pluralità di palette aerodinamiche della girante finita in modo tale da mantenere le caratteristiche aerodinamiche di quest’ultima.

In una forma di realizzazione preferita descritta in questa sede, l’inserto anulare 110 comprende una prima faccia 110A realizzata con la superficie superiore dell’assieme anulare di palette e avente forma sostanzialmente simile a una campana o a un tulipano e in grado di essere abbinato al quarto elemento di tessuto 4. Una seconda faccia 110B è sostanzialmente opposta alla prima faccia 110A ed è realizzata con la superficie inferiore dell’assieme anulare di palette; è prevista una pluralità di fessure sagomate 137 tale da riprodurre sostanzialmente le pale 15 di ciascuna paletta 13 e il foro assiale 21C in grado di essere associato al rotore R della turbomacchina.

Questo inserto anulare 110 potrebbe essere realizzato congiungendo tra loro una pluralità di detti inserti di paletta aerodinamica 200 (mostrati in queste Figure) o come pezzo unico, come descritto in precedenza. In Fig. 4 viene rappresentato schematicamente un elemento di tessuto segmentato 37 (si veda anche Fig. 1A) in grado di essere inserito all’interno dello spazio all’angolo di dette fessure segmentate 137 al fine di aumentare la rigidità dell’intero assieme della girante finita, eliminare percorsi privilegiati del flusso di materiale di riempimento ed evitare regioni contenenti solo materiale di riempimento senza fibra laddove potrebbe indursi pirolisi durante la sinterizzazione.

In una realizzazione preferita, tutti gli elementi di tessuto da 1 a 7 e 37 sono realizzati di tessuto di caratteristiche morbide o (semi)rigide, in modo tale da poter essere realizzati separatamente e associati insieme durante l’assemblaggio degli stampi. Il materiale di tessuto tuttavia potrebbe essere di altre tipologie conformemente alle differenti forme di realizzazione o ai diversi requisiti di utilizzo della girante lavorata. Inoltre, questi elementi di tessuto potrebbero essere composti da differenti tipologie di materiale di fibra conformemente alle diverse forme di realizzazione; vedere in seguito.

Nelle Figure 5 e 6 viene rappresentato schematicamente l’inserto della paletta aerodinamica 200 conformemente a una forma di realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, nella quale è compresa una regione centrale 200A, configurata per riprodurre una paletta 13 della girante lavorata e regioni finali sagomate opposte 200B, 200C configurate per essere associate alle regioni finali sagomate 200B e 200C rispettivamente su un inserto 200 della paletta adiacente per sistemare l’unità anulare realizzante l’inserto anulare 110. In particolare, le regioni finali 200B, 200C comprendono superfici laterali 200D e 200E rispettivamente in grado di agganciarsi alle superfici laterali 200D e 200E rispettivamente dell’inserto 200 della paletta adiacente.

Vantaggiosamente, le regioni finali sagomate opposte, 200B e 200C riproducono il foro d’accesso e il foro d’uscita della paletta 13.

Inoltre, in questa particolare forma di realizzazione, le regioni finali 200B, 200C sono sagomate per adattarsi alle regioni finali dell’inserto adiacente 200 e, al tempo stesso, per la manipolazione e il posizionamento dell’inserto 200 della paletta all’interno dello stampo 100.

È evidente che la forma e la sagoma di queste regioni finali 200B, 200C possono essere modificate conformemente alle particolari forme di realizzazione dell’invenzione.

Si noti che l’inserto 200 della paletta, mostrato qui, rappresenta una paletta tridimensionale; tuttavia è evidente che l’inserto 200 può essere modificato conformemente a tipologie differenti, ad esempio una paletta bidimensionale o altro.

Nella Figura 7 è rappresentato schematicamente il suddetto elemento sagomato 19 conformemente a una forma di realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, in grado di coprire esattamente la porzione della paletta 13 della girante lavorata nella quale il processo di erosione è maggiore, per esempio la parte inferiore dello stesso (vedere Fig. 1A). In particolare, detto elemento sagomato 19 è realizzato da una superficie principale S1 in grado di riprodurre la forma e di essere associata sulla parete inferiore 13I di una paletta 13, vedere anche Fig. 1A; e da bordi laterali S2 e S3 per riprodurre parzialmente la forma e di essere associati sulle pareti laterali delle pale 15 all’interno della paletta 13. Vantaggiosamente, questo elemento sagomato 19 può essere associato sull’area centrale 200A dell’inserto 200 della paletta e circondato da un primo, secondo o terzo elemento di tessuto 1A, 1B oppure 1C; vedere anche le Figure 5 e 6.

Nella Figura 8 è mostrata una differente forma di realizzazione rispetto alla Figura 7 nella quale un componente sagomato 20 è in grado di rivestire o di coprire completamente le pareti della paletta 13; in altre parole, detto componente sagomato 20 forma un canale chiuso in grado di riprodurre interamente la paletta 13 in cui scorre il fluido operativo. In particolare, detto elemento sagomato 20 è composto da una superficie inferiore principale L1 in grado di riprodurre la forma e di essere associata alla parete inferiore 13I di una paletta 13; da bordi laterali L2 e L3 in grado di riprodurre la forma e di essere associati alle pareti laterali delle pale 15 all’interno della paletta 13 e da una superficie superiore secondaria L4 in grado di riprodurre la forma e di essere associata alla parete superiore 13S della paletta 13.

Al tempo stesso, detto elemento sagomato 20 può essere associato alla regione centrale 200A dell’inserto 200 e circondato dal primo, secondo o terzo elemento di tessuto 1A, 1B o 1C.

Detti elementi sagomati 19, 20 possono essere realizzati con materiale resistente a erosione o corrosione (come per esempio metallo o ceramica o polimero o altro) e possono anche essere utilizzati per aumentare ulteriormente la resistenza meccanica della girante lavorata. È evidente che detti elementi sagomati 19, 20 devono riprodurre la forma della paletta, quindi potrebbero essere di tipo tridimensionale o bidimensionale o di diversa tipologia conformemente alla forma della singola paletta alla quale devono essere associati.

Si noti che gli elementi sagomati, 19, 20 possono essere fissati all’interno della paletta 13 mediante materiale di riempimento M e anche per mezzo della loro forma sagomata in modo semplice e funzionale.

La Figura 9 mostra il primo elemento di fibra 1A (vedere anche la Fig. 1A) che presenta una forma in grado di riprodurre approssimativamente la forma della paletta 13. In questo caso, detto elemento 1A potrebbe essere composto da qualsiasi tipo di fibra – come descritto in precedenza – e potrebbe essere vantaggiosamente semielastico o adattabile in modo tale da allargarsi per passare al di sopra delle regioni 200B o 200C dell’inserto 200 e quindi chiudersi intorno alla regione centrale 200A. È evidente che, in un’ulteriore forma di realizzazione, l’inserto 200 potrebbe non includere le regioni finali 200B, 200C. In un’altra forma di realizzazione, l’elemento 1A potrebbe essere intrecciato, o comunque prodotto, direttamente sopra l’inserto 200, in modo tale da non richiedere alcuna deformazione del tessuto.

La Figura 9B mostra il secondo elemento di fibra 1B (vedere anche la Fig. 1B) che presenta una forma configurata per circondare alternamente la parete superiore 13S della paletta 13 e la parete inferiore 13I di una paletta 13 adiacente che passa lungo la rispettiva pala 15. In particolare, questo secondo elemento 1B è composto sostanzialmente da una piastra di tenuta sagomata in modo tale da formare in modo continuo tutte le palette 13 dell’unità anulare posizionando un inserto 200 della paletta e l’inserto opposto 200 della paletta adiacente sulla sua superficie durante l’assemblaggio dello stampo 100.

La Figura 9C mostra il terzo elemento di fibra 1C (vedere anche la Fig. 1C) che presenta una configurazione sostanzialmente composta da una piastra anulare a formare la parete superiore o inferiore 13S o 13I con le superfici della paletta che si allungano oltre detta piastra a formare la pala 15 della girante lavorata; questo terzo elemento di tessuto 1C può essere posizionato sostanzialmente al di sopra dell’inserto anulare 110 (come mostrato nella Fig. 9C) o al di sotto dell’inserto anulare 110 (come mostrato nella Fig. 1C) durante l’assemblaggio dello stampo 100. Nella Fig. 10 è mostrata schematicamente una sezione trasversale dello stampo 100 delle Figure 2 e 3, nelle quali è possibile vedere nel dettaglio gli inserti 200 della paletta e gli spazi vuoti all’interno dei quali sono contenuti i suddetti elementi in tessuto da 1 a 7 e all’interno dei quali è stato inserito il materiale di riempimento M.

In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, gli spazi vuoti sono realizzati in modo tale da accoppiare o da premere insieme gli elementi in tessuto da 1 a 7 posizionati all’interno in modo tale che gli elementi in tessuto adiacenti si trovino a stretto contatto l’uno con l’altro.

In questo modo è possibile diminuire gli spazi vuoti tra gli elementi in fibra adiacenti da 1 a 7 il più possibile; il materiale di riempimento M, è in grado di riempire gli spazi tra le fibre degli stessi elementi in fibra da 1 a 7 al fine di fornire una frazione di volume della fibra elevata e controllata, vedere sopra; in particolare; mediante l’impiego di uno stampo chiuso è possibile controllare questi spazi per garantire una frazione di volume di fibra elevata e controllata.

Il materiale di riempimento M può essere iniettato da una vasta gamma di fori di iniezione 123 realizzati all’interno della piastra d’appoggio 113 e/o all’interno dell’anello superiore 115.

Nelle Figg. da 11A a 11L sono mostrate molteplici fibre che possono essere utilizzate per realizzare gli elementi in fibra 1A, 1B, 1C, 4, 5, 6, 7 o 37, conformemente alle differenti forme di realizzazione dell’invenzione.

In particolare, nella Fig. 11A è mostrato un materiale composito comprendente il materiale di riempimento M all’interno del quale sono racchiuse una pluralità di fibre continue R2 che possono essere orientate in una direzione preferenziale al fine di ottenere una distribuzione della forza ottimale sugli elementi in fibra durante l’utilizzo della girante lavorata.

Nelle Figg. 11B e 11C sono mostrati materiali compositi del materiale di riempimento M all’interno del quale sono presenti una pluralità di fibre particolari R3 e rispettivamente fibre discontinue R4.

Nelle Figg. da 11D a 11L sono mostrate rispettivamente fibre composte da maglia biassiale R5, una maglia cucita R6, una maglia triassiale R7, una maglia con orditura multistrato 58, una fibra ritorta tridimensionale R9, una maglia tridimensionale cilindrica R10 e una maglia intrecciata tridimensionale R11. Tutti i suddetti tipi di fibre o maglia possono essere orientati in modo variabile al fine di ottenere una distribuzione della forza ottimale sugli elementi in fibra.

Si noti che nel corso degli anni sono stati sviluppati molti tipi di fibre sintetiche presentanti caratteristiche specifiche per particolari applicazioni che possono essere utilizzate conformemente al particolare tipo di forma di realizzazione.

Ad esempio, Dyneema ® (conosciuto anche come “polietilene gel ad alta densità” o HDPE) della società "High Performance Fibers b.v. Corporation” è una fibra sintetica adatta alla produzione di cavi di trazione e viene utilizzata per sport come kitesurfe, alpinismo, pesca e per la produzione di giubbotti antiproiettile; un’altra fibra simile a Dyneema è la Spectra®, brevettata da una società degli Stati Uniti; un’ulteriore fibra disponibile sul mercato è il Nomex ®, una sostanza a base di meta-aramide realizzata nei primi anni Sessanta dalla DuPont. Le realizzazioni esemplificative mostrate forniscono oggetti e metodi per la realizzazione di una girante dalle caratteristiche innovative. Si intende che questa descrizione non è concepita al fine di limitare l’invenzione. Al contrario, le realizzazioni esemplificative sono concepite per coprire possibili alternative, modifiche e modelli equivalenti, insiti nello spirito e nell’ambito dell’invenzione, come definito dalle rivendicazioni accluse. Inoltre, nella descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative, sono esposti numerosi dettagli specifici al fine di consentire una comprensione esauriente dell’invenzione rivendicata. Tuttavia, l’esperto dell’arte comprenderebbe che varie realizzazioni possono essere attuate senza tali dettagli specifici.

Nonostante le caratteristiche e gli elementi delle presenti realizzazioni esemplificative siano descritti nelle realizzazioni in particolari combinazioni, ciascuna caratteristica o ciascun elemento possono essere utilizzati singolarmente senza le altre caratteristiche e gli altri elementi delle realizzazioni o in varie combinazioni con o senza altre caratteristiche e altri elementi divulgati dal presente documento.

La presente descrizione scritta utilizza degli esempi per divulgare l'invenzione, compresa la soluzione ottimale, anche per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione di qualsiasi metodo incorporato. L’ambito brevettabile dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni e potrebbe includere altri esempi utili agli esperti in materia. Detti ulteriori esempi rientrano nell’ambito delle rivendicazioni se caratterizzati da elementi strutturali che non differiscono dal linguaggio letterale delle rivendicazioni, oppure nel caso in cui includano elementi strutturali equivalenti con differenze non significative rispetto ai linguaggi letterali delle rivendicazioni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Uno stampo per realizzare una girante centrifuga per una turbomacchina, caratterizzato dal fatto che include un inserto anulare (110) comprendente una pluralità di inserti di palette aerodinamiche (200) riproducenti le palette aerodinamiche (13) della girante finita. 2. Lo stampo della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralità di componenti sagomati (19; 20) in grado di essere associati su una superficie esterna di ciascuno di detti inserti di paletta aerodinamica (200); essendo detti componenti sagomati configurati in modo tale da agire contro l’erosione e la corrosione del fluido operante durante il funzionamento della girante finita. 3. Lo stampo della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto inserto anulare (110) è realizzato in un pezzo singolo oppure unendo gli uni agli altri una pluralità di pezzi. 4. Lo stampo almeno della rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende almeno uno dei seguenti elementi: - una piastra di base (113) che ha una faccia interna (113A) e una faccia esterna (113B), essendo la faccia interna (113A) configurata in modo da riprodurre una superficie posteriore della girante finita e la faccia esterna (113B) essendo sostanzialmente opposta alla faccia interna (113A). - un anello superiore (115) che ha una faccia interna (115A) e una faccia esterna (115B), essendo la faccia interna (115A) configurata in modo da riprodurre una superficie posteriore della girante finita e la faccia esterna (115B) essendo sostanzialmente opposta alla faccia interna (113A). - un elemento di anima interna (21) associate sotto detto inserto anulare (110) e sopra detta piastra base (113). 5. Un inserto di paletta aerodinamica (200) caratterizzato dal fatto che è configurato in modo tale da riprodurre almeno una paletta aerodinamica (13) di una girante centrifuga finita. 6. L’inserto di paletta aerodinamica della rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che comprende almeno uno dei seguenti elementi: - una regione centrale (200A) configurata in modo tale da riprodurre sostanzialmente detta paletta aerodinamica (13); e - regioni terminali sagomate opposte (200B; 200C) configurate in modo tale da essere associate a regioni terminali (200B; 200C) di un inserto paletta adiacente (200) per formare un inserto anulare (110); - un componente sagomato (19; 20) in grado di essere associato ad una superficie esterna di detto inserto di paletta aerodinamica; essendo dei componenti sagomati (19; 20) configurati in modo tale da agire contro l’erosione e la corrosione del fluido operante durante il funzionamento della girante finita. 7. L’inserto di paletta aerodinamica almeno della rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che è realizzato in un pezzo singolo o in due o più pezzi. 8. L’inserto di paletta aerodinamica almeno della rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che è realizzato in materiale solubile, frangibile, riformabile o solido, estraibile in pezzi multipli. 9. Un metodo per la costruzione di una girante centrifuga per una turbomacchina, comprendente una fase di realizzazione di un inserto anulare (110) comprendente una pluralità di inserti di paletta aerodinamica (200) riproducenti le palette aerodinamiche (13) della girante finita. 10. Il metodo della rivendicazione 9 comprendente almeno uno de seguenti elementi: - associare almeno un componente sagomato (19; 20) alla superficie esterna di ciascun predetto inserto di paletta aerodinamica (200) prima di associarvi almeno un elemento di tessuto (1A; 1B; 1C); - realizzare un primo elemento di tessuto (1A) in grado di essere associato attorno a ciascuno dei predetti inserti di paletta aerodinamica (200); - realizzare un secondo elemento di tessuto (1B) in grado di essere associato ad una parete superiore di ciascuno dei predetti inserti di paletta aerodinamica (200) e ad una parete inferiore di ciascuno dei predetti inserti di paletta aerodinamica (200); - realizzare un terzo elemento di tessuto (1C) in grado di formare continuativamente una pluralità di pale (15) fra detti inserti di paletta aerodinamica (200). CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A mold to build a centrifugal impeller for a turbomachine characterized in that it comprises an annular insert (110) comprising a plurality of aerodynamic vane inserts (200) reproducing the aerodynamic vanes (13) of the finished impeller.
2. 2. The mold of claim 1, characterized in that it comprises a plurality of shaped components (19; 20) able to be associated on an external surface of each of said aerodynamic vane inserts (200); said shaped components (19; 20) being configured to act against the erosion of the working fluid during the work of the finished impeller.
3. 3. The mold of claim 1, characterized in that said annular insert (110) is made by a single piece or by joining to each other a plurality of pieces.
4. 4. The mold of at least claim 1, characterized in that it comprises at least one of the following: - a base plate (113) having an internal face (113A) and an external face (113B), the internal face (113A) being configured to reproduce a rear-surface of the finished impeller and the external face (113B) being substantially opposite to the internal face (113A); - an upper-ring (115) having an internal face (115 A) and an external face (115B), the internal face (115A) being configured to reproduce a front-surface of the finished impeller and the external face (115B) being substantially opposite to the internal face (115A); - an inner core element (21) associated under said annular insert (110) and over said base plate (113).
5. 5. An aerodynamic vane insert (200) characterized in that it is configured to reproduce at least an aerodynamic vane (13) of a finished centrifugal impeller.
6. 6. The aerodynamic vane insert of claim 5, characterized in that it comprises at least one of the following: - a central region (200A) configured to reproduce substantially said aerodynamic vane (13); and - opposite shaped end-regions (200B; 200C) configured to be associated with end-regions (200B; 200C) of an adjacent vane insert (200) to form an annular insert (110); - a shaped component (19; 20) able to be associated on an external surface of said aerodynamic vane insert; said shaped components (19; 20) being configured to act against the erosion of the working fluid during the work of the finished impeller.
7. 7. The aerodynamic vane insert of at least claim 5, characterized in that it is made by a single piece or by two or more pieces.
8. 8. The aerodynamic vane insert of at least claim 5, characterized in that it is made by a soluble material, a breakable material, a reformable material, or a solid material that can be extracted in multiple pieces.
9. 9. A method for building a centrifugal impeller for a turbomachine comprises a step of fabricating an annular insert (110) comprising a plurality of aerodynamic vane inserts (200) reproducing the aerodynamic vanes (13) of the finished impeller.
10. 10. The method of claim 9, comprising at least one of the following: - to associate at least a shaped component (19; 20) on the external surface of each said aerodynamic vane insert (200) before associating at least a fabric element (1A; IB; 1C) on it; - to build a first fabric element (1A) able to be associated around each of the said aerodynamic vane inserts (200); - to build a second fabric element (IB) able to be associated on an upper wall of each said aerodynamic vane inserts (200) and on a lower wall of the adjacent said aerodynamic vane inserts (200); - to build a third fabric element (1C) able to form continuously a plurality of blades (15) between said aerodynamic vane inserts (200).