ITFI20130248A1

ITFI20130248A1 - "airfoil machine components polishing method"

Info

Publication number: ITFI20130248A1
Application number: IT000248A
Authority: IT
Inventors: Lorenzo Bianchi; Lorenzo Lorenzi; Paolo Mola; Ferruccio Petroni
Original assignee: Nuovo Pignone Srl
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-18
Also published as: KR20160071451A; RU2691444C2; US20160229022A1; RU2016110542A; CN106413989B; EP3057738A1; WO2015055601A1; CN106413989A; EP3057738B1; JP6496721B2; JP2016535681A; RU2016110542A3; US10722996B2

Description

"METODO PER LA LEVIGATURA DI COMPONENTI DI MACCHINE CON PROFILO AEREODINAMICO"

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

L'oggetto qui descritto concerne la produzione di componenti di macchine comprendenti porzioni di superfici aereodinamiche quali pale rotoriche e statoriche per turbomacchine assiali, giranti per turbomacchine radiali o assiali-radiali e simili, ma non solo.

ARTE ANTERIORE

Turbomacchine assiali, quali compressori e turbine assiali, comprendono uno o più stadi, ciascuno stadio essendo comprensivo di una disposizione circolare di pale stazionarie ed una disposizione circolare di pale di rotore. Le pale sono provviste di una base e di una punta. Una porzione di superficie aerodinamica si estende fra la base e la punta di ciascuna pala. Allo scopo di migliorare l'efficienza della turbomacchina, le pale sono usualmente soggette ad una fase di levigatura. Trattamenti addizionali possono essere eseguiti sulle pale prima della levigatura. Ad esempio una fase di pallinatura viene usualmente eseguita prima della levigatura o finitura, per aumentare la resistenza della pala. La pallinatura aumenta la rugosità superficiale. La fase di levigatura viene attualmente eseguita tramite una finitura a vibrazione, ad esempio tramite barilatura a vibrazione. La barilatura a vibrazione prevede che le pale vengano poste in un tamburo ruotante riempito di pellet formate da un abrasivo naturale o sintetico e da un legante ceramico. Il tamburo viene fatto ruotare e/o vibrare cosicché i pellet levigano la superficie della superficie aereodinamica. La rugosità media aritmetica finale (Ra) che può essere raggiunta tramite barilatura a vibrazione è attorno a 0,63µm.

Valori di rugosità inferiori potrebbero essere raggiunti continuando il trattamento di barilatura a vibrazione delle pale. Tuttavia l'effetto dei pellet sulla superficie aereodinamica non modifica soltanto la rugosità e tessitura superficiale, ma anche la geometria della superficie aereodinamica. La riduzione della rugosità al di sotto dei valori sopra menzionati darebbe luogo ad alterazioni inammissibili della geometria.

. . ...

Per questa ragione valori di rugosità inferiori non possono essere ottenuti tramite metodi di levigatura dell'arte corrente.

Giranti chiuse, ad esempio per compressori centrifughi e pompe, vengono attualmente levigate per mezzo di una cosiddetta lavorazione a flusso abrasivo. Il processo di lavorazione a flusso abrasivo consiste nel generare un flusso di una sospensione liquida di materiale abrasivo a pressione attraverso i vani della girante. Vengono raggiunti valori di rugosità attorno a 0,68µm. La lavorazione a flusso abrasivo influenza negativamente la geometria delle pale, a causa dell'effetto di abrasione delle particelle abrasive contenute nella sospensione liquida che viene fatta fluire a pressione attraverso i vani della girante. Inoltre, l'interazione tra le pale ed il flusso abrasivo è tale per cui si ottiene un effetto abrasivo non omogeneo sul lato di pressione e sul lato di aspirazione di ciascuna pala, a causa della geometria di quest'ultima. Non è pertanto opportuno continuare il processo di lavorazione a flusso abrasivo di una girante oltre i sopra menzionati valori di rugosità, poiché questo darebbe luogo ad una alterazione inaccettabile della geometria della pala e quindi ad un deterioramento dell'efficienza della girante.

L'efficienza di un componente meccanico comprendente una porzione di superficie aerodinamica, quale una girante od una pala, aumenta al ridursi della rugosità, poiché vengono ridotte le perdite energetiche dovute all'attrito. Vi è pertanto l'esigenza di migliorare i processi ed i metodi di finitura allo scopo di aumentare l'efficienza della superficie aereodinamica riducendone la rugosità, senza alterare la geometria della superficie aereodinamica oltre una soglia di tolleranza ammissibile. SOMMARIO DELL'INVENZIONE

Viene fornito un metodo migliorato per la levigazione di un componente di macchina comprendente almeno una porzione di superficie aerodinamica, comprensiva di un lato di aspirazione, un lato di pressione, un bordo di attacco ed un bordo di uscita, che consente di raggiungere valori di rugosità particolarmente bassi sulla superficie aereodinamica.

Nella presente descrizione, comprese le allegate rivendicazioni, se non diversamente specificato, la tessitura e rugosità superficiali sono caratterizzate dal valore di rugosità aritmetica media (Ra). La rugosità aritmetica media (Ra), anche indicata come AA (arithmetic average) o CLA (Center Line Average) è la deviazione media aritmetica della superficie reale da una linea mediana o linea centrale entro una lunghezza di misura (L) ed è definita come

1 x= L

Ra =

L x ∫y dx

= 0

oppure:

1 n

Ra =

n∑<y i>

i = 1

Se non differentemente specificato, la rugosità aritmetica media (Ra) usata qui è espressa in micrometri (µm). Se non differentemente specificato, nella descrizione e nelle rivendicazioni il termine rugosità deve essere inteso come rugosità aritmetica media come sopra definita.

Secondo alcune forme di realizzazione, il metodo comprende:

disporre un componente di macchina in un contenitore e vincolare il componente di macchina al contenitore;

aggiungere una miscela levigante nel contenitore, la miscela levigante contenendo almeno: una polvere abrasiva, un liquido e particelle metalliche; vibrare il contenitore ed il componente di macchina vincolato ad esso, generando in questo modo un flusso di miscela lucidante lungo la porzione di superficie aerodinamica fino al raggiungimento di una rugosità aritmetica media finale.

In forme di realizzazione preferite, la levigatura viene fatta continuare fino a che si raggiunge una rugosità aritmetica media finale pari o inferiore a 0,3 µm sul componente di macchina. Si è sorprendentemente scoperto che il metodo qui descritto può raggiungere valori di rugosità molto bassi in un tempo relativamente breve e mantenendo la geometria, cioè la dimensione e la forma del profilo aereodinamico sostanzialmente inalterate, cioè i valori menzionati sopra sono raggiunti senza influenzare negativamente la geometria complessiva di componenti critici quali pale di turbina, giranti di turbomacchine o simili. I metodi di levigatura secondo l'arte corrente non possono essere usati per raggiungere valori di rugosità aritmetica media così bassi senza provocare alterazioni non prevedibili del profilo aereodinamico, che renderebbero di fatto il componente di macchina levigato inutilizzabile.

Secondo alcune forme di realizzazione, il trattamento è applicato fino a che sul profilo aereodinamico è raggiunta una rugosità aritmetica media finale pari o inferiore a 0,20 µm, preferibilmente uguale o inferiore a 0,17 µm e più preferibilmente pari o inferiore a 0,15 µm.

Il contenitore può essere collegato ad una disposizione di vibrazione, ad esempio comprendente una camma ruotante e un motore elettrico. Possono essere previste disposizioni per regolare la frequenza di vibrazione. Secondo alcune forme di realizzazione il metodo può quindi comprendere inoltre una fase di selezione di una frequenza di vibrazione del contenitore e del componente di macchina vincolato ad esso, la quale fa si che le particelle metalliche avanzino lungo la porzione di superficie aerodinamica aderendo ad essa e generando un'azione di levigatura della porzione di superficie aerodinamica per mezzo di polvere abrasiva tra la porzione di superficie aerodinamica e le particelle metalliche che scorrono lungo di essa. Possono venire determinati uno o più valori di frequenza di vibrazione in funzione delle caratteristiche strutturali e delle forme dei componenti di macchina, le quali provocano un tale avanzamento a scorrimento delle particelle metalliche lungo la porzione di superficie aereodinamica.

La selezione della frequenza di vibrazione può essere ottenuta per via sperimentale, ad esempio variando gradualmente la velocità di rotazione di un motore elettrico che aziona una camma che coopera con il contenitore. Frequenze di vibrazione idonee possono essere selezionate osservando il movimento delle particelle metalliche o trucioli metallici sulla superficie del componente di macchina.

In alcune forme di realizzazione possono essere usate particelle metalliche aventi superfici sostanzialmente piane. Le particelle metalliche possono essere fatte avanzare per vibrazione lungo la porzione di superficie aereodinamica con le loro superfici piane in contatto con la porzione di superficie aereodinamica.

I componenti di macchina possono essere soggetti a processi di trattamento preliminari, quali ad esempio ad un trattamento di pallinatura preliminare.

Secondo alcune forme di realizzazione, la fase di generare un flusso della miscela levigante lungo la porzione di superficie aereodinamica comprende il far avanzare le particelle di metallo della miscela levigante lungo il lato di pressione e lato di aspirazione della porzione di superficie aereodinamica.

Il componente di macchina può essere ad esempio una pala di una turbomacchina assiale, avente una base ed una punta. La porzione di superficie aereodinamica si sviluppa fra la base e la punta, venendo definita una corda della superficie aereodinamica fra il bordo di uscita e il bordo di attacco in ciascuna posizione della porzione di superficie aereodinamica da detta base a detta punta.

In alcune forme di realizzazione del metodo qui descritto la lunghezza della corda viene mantenuta sostanzialmente inalterata durante detta fase di vibrazione del componente di macchina fino al raggiungimento di una rugosità aritmetica media finale di 0,3 µm o meno, preferibilmente di 0,2 µm o meno, più preferibilmente di 0,17 µm o meno. La lunghezza della corda può essere soggetta ad una variazione che è inferiore rispetto al valore di tolleranza ammissibile. Ad esempio, la variazione della lunghezza della corda può essere uguale od inferiore a 0,05% e preferibilmente uguale o inferiore a 0,03%.

Secondo forme di realizzazione preferite, la lunghezza della corda dall'inizio alla fine della fase di vibrazione del contenitore e del componente di macchina vincolato ad essa può essere pari od inferiore a 0,1 mm, preferibilmente uguale od inferiore a 0,07 mm e ancora più preferibilmente pari od inferiore a 0,02 mm.

Una variazione della lunghezza della corda durante la levigatura, che rimane pari od inferiore a 0,1 mm e preferibilmente pari od inferiore 0,07 mm fa si che la geometria della pala e quindi la funzionalità della pala rimangano sostanzialmente inalterate. Pertanto, secondo alcune forme di realizzazione, quando il componente di macchina è una pala di una turbomacchina assiale, la caratteristica di mantenere la dimensione e la forma della porzione di superficie aereodinamica sostanzialmente inalterata significa che l'alterazione della lunghezza della corda è pari od inferiore a 0,1 mm e preferibilmente pari od inferiore a 0,07 mm, ad esempio pari od inferiore a 0,02 mm.

Secondo alcune forme di realizzazione, il componente di macchina è una girante di turbomacchina comprensiva di un disco con un foro centrale di ricezione dell'albero motore e di una pluralità di pale disposte sul disco attorno a detto foro di ricezione dell'albero motore. Le pale formano porzioni di superficie aereodinamica, ciascuna pala avendo un lato di aspirazione ed un lato di pressione. Vengono definiti vani fra pale adiacenti. Ciascun vano ha un ingresso ed una uscita e ciascuna pala ha un bordo di attacco all'ingresso ed un bordo di uscita all'uscita del corrispondente vano. Facendo vibrare il componente di macchina si crea un flusso di miscela levigante, che circola negli e attraverso i vani della girante.

Durante la fase di vibrazione del componente di macchina, lo spessore delle pale della girante viene ridotto di meno dello 0,5% in media e preferibilmente meno dello 0,4% in media mentre si raggiunge una rugosità aritmetica media finale della superficie interna dei vani, che può essere pari od inferiore a 0,3 µm e preferibilmente pari od inferiore a 0,2 µm.

Secondo forme di realizzazione preferite, la variazione dello spessore di pala dall'inizio alla fine della fase di vibrazione del contenitore e del componente di macchina vincolato ad esso può essere pari od inferiore a 0,1 mm, preferibilmente pari od inferiore a 0,07 mm ed ancora più preferibilmente pari od inferiore 0,02 mm.

Una variazione dello spessore di pala durante la levigatura, che rimane pari od inferiore a 0,1 mm e preferibilmente pari od inferiore a 0,07 mm fa si che la geometria e quindi la funzionalità della pala rimangano sostanzialmente inalterate. Pertanto, secondo alcune forme di realizzazione, quando il componente di macchina è una girante per una turbomacchina, ad esempio una girante di una pompa o di un compressore radiale, la caratteristica di mantenere la dimensione e la forma della porzione di superficie aereodinamica sostanzialmente inalterate significa che l'alterazione dello spessore delle pale della girante è pari od inferiore a 0,1 mm e preferibilmente pari od inferiore 0,07 mm, ad esempio pari od inferiore a 0,02 mm.

Secondo alcune forme di realizzazione, la girante comprende un contro disco comprensivo di un occhio di girante. Il contro disco, il disco e pale di girante adiacenti definiscono vani di flusso tra di essi, ciascun vano avendo una apertura di uscita in corrispondenza dei bordi di uscita delle pale. In vantaggiose forme di realizzazione il metodo prevede di vibrare la girante e generare un flusso di miscela levigante attraverso i vani, che provoca una alterazione della dimensione assiale delle aperture di uscita in media inferiore a 0,05% e preferibilmente inferiore a 0,04% rispetto alla dimensione assiale iniziale.

In alcune forme di realizzazione le particelle metalliche comprendono trucioli metallici. In forme di realizzazione particolarmente vantaggiose, le particelle metalliche comprendono particelle o trucioli di rame.

In alcune forme di realizzazione la polvere abrasiva è ossido di alluminio, ceramica o una loro combinazione. Il liquido può comprendere od essere acqua. Inoltre può essere aggiunto un mezzo di lucidatura.

Secondo alcune forme di realizzazione la miscela levigante ha la seguente composizione in peso:

particelle metalliche 90 - 98%

polvere abrasiva 0,05 - 0,4%

liquido 3 - 10%

La fase di vibrare il contenitore ed il componente di macchina vincolato ad esso può durare da 5 a 8 ore, preferibilmente da 6 a 7 ore.

Secondo altre forme di realizzazione, la fase di vibrare il contenitore e il componente di macchina vincolato ad esso può durare da 1, 5 a 10 ore.

Secondo alcune forme di realizzazione, ad esempio quando vengono levigate pale di turbomacchine assiali, la fase di vibrazione può durare da 1 a 3 ore, ad esempio fra 1 e 2 ore.

Secondo un diverso aspetto, la presente descrizione concerne un componente di macchina comprendente una porzione di superficie aereodinamica, in cui la porzione di superficie aereodinamica ha una rugosità aritmetica media pari od inferiore a 0,3 µm, preferibilmente pari od inferiore a 0,2 µm, più preferibilmente pari od inferiore a 0,17 µm e ancora più preferibilmente pari od inferiore a 0,15 µm. Il componente di macchina può essere selezionato dal gruppo comprendente: una pala di turbomacchina assiale; una girante di turbomacchina.

Caratteristiche e forme di realizzazione sono descritte qui di seguito e ulteriormente definite nelle rivendicazioni allegate, che formano parte integrale della presente descrizione. La sopra riportata breve descrizione individua caratteristiche delle varie forme di realizzazione della presente invenzione in modo che la seguente descrizione dettagliata possa essere meglio compresa e affinché i contribuiti alla tecnica possano essere meglio apprezzati. Vi sono, ovviamente, altre caratteristiche dell’invenzione che verranno descritte più avanti e che verranno esposte nelle rivendicazioni allegate. Con riferimento a ciò, prima di illustrare diverse forme di realizzazione dell’invenzione in dettaglio, si deve comprendere che le varie forme di realizzazione dell’invenzione non sono limitate nella loro applicazione ai dettagli costruttivi ed alle disposizioni di componenti descritti nella descrizione seguente o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere attuata in altre forme di realizzazione e attuata e posta in pratica in vari modi. Inoltre si deve comprendere che la fraseologia e la terminologia qui impiegate sono soltanto ai fini descrittivi e non devono essere considerate limitative.

Gli esperti del ramo pertanto comprenderanno che il concetto su cui si basa la descrizione può essere prontamente utilizzato come base per progettare altre strutture, altri metodi e/o altri sistemi per attuare i vari scopi della presente invenzione. E’ importante, quindi, che le rivendicazioni siano considerate come comprensive di quelle costruzioni equivalenti che non escono dallo spirito e dall’ambito della presente invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Una comprensione più completa delle forme di realizzazione illustrate dell’invenzione e dei molti vantaggi conseguiti verrà ottenuta quando la suddetta invenzione verrà meglio compresa con riferimento alla descrizione dettagliata che segue in combinazione con i disegni allegati, in cui:

Figg.1A e 1B illustrano componenti di macchina comprendenti una porzione di superficie aereodinamica, che possono essere levigati con il metodo qui descritto; la

Fig.2 illustra schematicamente la levigatura di pale di turbomacchina secondo il metodo qui descritto; la

Fig.3 illustra schematicamente l'azione del mezzo di levigatura sulla porzione di superficie aereodinamica; le

Figg.4 e 5 illustrano esempi di porzioni di superficie aereodinamica e la posizione in cui vengono eseguite le misure di rugosità; le

Figg.6 a 23 illustrano diagrammi che riportano misure eseguite su campioni di pale di turbomacchina levigate con il metodo qui descritto; la

Fig.24 illustra una forma di realizzazione esemplificativa di una girante di compressore; la

Fig.25 illustra la levigatura di una girante di compressore secondo il metodo qui descritto; le

Figg.26, 27 e 28 illustrano punti di misurazioni effettuate su un campione di girante levigata con un metodo secondo la presente descrizione; la

Fig.29 illustra una ulteriore girante che può essere levigata con un metodo secondo la presente descrizione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME DI REALIZZAZIONE DELL'INVENZIONE

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni differenti identificano elementi uguali o simili. Inoltre, i disegni non sono necessariamente in scala. Ancora, la descrizione dettagliata che segue non limita l’invenzione. Piuttosto, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni accluse.

Il riferimento in tutta la descrizione a “una forma di realizzazione” o “la forma di realizzazione” o “alcune forme di realizzazione” significa che una particolare caratteristica, struttura o elemento descritto in relazione ad una forma di realizzazione è compresa in almeno una forma di realizzazione dell’oggetto descritto. Pertanto la frase “in una forma di realizzazione” o “nella forma di realizzazione” o “in alcune forme di realizzazione” in vari punti lungo la descrizione non si riferisce necessariamente alla stessa o alle stesse forme di realizzazione. Inoltre le particolari caratteristiche, strutture od elementi possono essere combinati in qualunque modo idoneo in una o più forme di realizzazione.

Levigatura di pale di turbomacchine assiali

La Fig.1A illustra una vista prospettica di una forma di realizzazione esemplificativa di una pala di compressore per un turbocompressore assiale, indicata complessivamente con 1A. La pala di compressore 1A comprende una base 3 ed una punta 5. Una porzione di superficie aereodinamica 7 si sviluppa fra la base 3 e la punta 5. La porzione di superficie aereodinamica è comprensiva di un bordo di attacco 7A ed un bordo di uscita 7B. La porzione di superficie aereodinamica comprende inoltre un lato di pressione 7P ed un lato di aspirazione 7S.

La Fig.1B illustra una vista prospettica di una forma di realizzazione esemplificativa di una pala di turbina a gas, complessivamente indicata con 1A. La pala di turbina 1A comprende una base 3 ed una punta 5. Una porzione di superficie aereodinamica 7 si sviluppa fra la base 3 e la punta 5. La porzione di superficie aereodinamica 7 ha un lato di aspirazione 7S ed un lato di pressione 7P, un bordo di attacco 7A ed un bordo di uscita 7B.

La pala di compressore assiale 1A mostrata nella Fig.1A e la pala di turbina 1B mostrata in Fig.1B sono fornite come forme di realizzazione esemplificative di possibili componenti di macchina che possono essere opportunamente levigati con il metodo qui descritto. Gli esperti nel settore delle turbomacchine comprenderanno che altri tipi di componenti di macchina comprensivi di almeno una porzione di superficie aereodinamica possono essere trattati con il metodo qui descritto, ad esempio pale stazionarie di compressori assiali, pale stazione di turbine, nonché giranti per turbomacchine centrifughe, quali turbocompressori e pompe, come verrà descritto in maggiore dettaglio più avanti.

Il componente di macchina 1A, 1B può essere soggetto ad una fase di trattamento superficiale, ad esempio un trattamento di pallinatura. Una volta che il componente di macchina 1A, 1B è stato pre-levigato, esso può essere trattato in una macchina di levigatura. Una rappresentazione schematica di una forma di realizzazione esemplificativa di una macchina di levigatura 10 è mostrata in Fig.2. La macchina di levigatura 10 comprende un contenitore 11, in cui i componenti di macchina vengono posti. I componenti di macchina sono direttamente od indirettamente vincolati al contenitore 11, così da muoversi con esso. In alcune forme di realizzazione, il contenitore 11 può essere vincolato ad una tavola vibrante 13. La tavola vibrante 13 può essere collegata ad una base fissa 15, ad esempio attraverso uno o più organi elastici 17. Gli organi elastici 17 possono comprendere molle elicoidali o simili. In alcune forme di realizzazione può essere usata una disposizione viscoelastica anziché una semplice disposizione 17 di organi elastici.

Allo scopo di comandare la vibrazione della tavola vibrante 13, in alcune forme di realizzazione sono previsti uno o più motori elettrici 21. Il motore elettrico 21 comanda la rotazione di una camma eccentrica 23 che può ruotare attorno ad un asse sostanzialmente orizzontale 23A. La rotazione della camma eccentrica 23 provoca la vibrazione in una direzione verticale della tavola vibrante 13 e del contenitore 11 vincolato ad essa, come schematicamente mostrato dalla doppia freccia f13.

Nel contenitore 11 possono essere disposti uno o più componenti di macchina 1A, 1B comprensivi di una porzione di superficie aereodinamica, preferibilmente ciascun componente di macchina 1A, 1B è vincolato al contenitore 11, cosicché i componenti di macchina 1A, 1B vibrano solidalmente con il contenitore 11 e la tavola vibrante 13.

Il contenitore 11 è parzialmente o completamente riempito di una miscela levigante M. La miscela levigante può coprire integralmente i componenti di macchina 1A, 1B cosicché i componenti di macchina sono interamente sommersi nella miscela levigante M. In altre forme di realizzazione del metodo qui descritto, può essere usata una quantità inferiore di miscela levigante, che copre soltanto parzialmente i componenti di macchina 1A, 1B, ad esempio fino a 60%, 70% o 80% dell'intera altezza H dei componenti di macchina 1A, 1B.

La miscela levigante M può essere comprensiva di un liquido, ad esempio acqua, di particelle metalliche e di una polvere abrasiva. Le particelle metalliche possono comprendere trucioli metallici, ad esempio particelle dinamiche, quali trucioli di rame. La polvere abrasiva può essere selezionata dal gruppo consistente di: ossido di alluminio, particelle ceramiche, o loro combinazioni.

Le particelle metalliche possono avere una forma sostanzialmente piana, cioè possono essere formate da frammenti di fogli o lamine metallici. In alcune forme di realizzazione le particelle metalliche possono avere uno spessore fra 1 e 2 mm. In alcune forme di realizzazione, le particelle metalliche possono avere una dimensione trasversale compresa fra 3 e 5 mm.

Le particelle abrasive possono avere una dimensione di grano fra 2 e 8 µm. La miscela levigante M può comprendere inoltre un mezzo di lucidatura. Il mezzo di lucidatura può essere selezionato dal gruppo consistente di: saponi, liquido passivizzante o loro miscele.

La composizione in peso della miscela levigante M può comprendere quanto segue:

- particelle metalliche: 90-98% in peso

- polvere abrasiva: 0,05-0,4% in peso

- liquido: 3-10% in peso.

Una volta che la miscela levigante è stata introdotta nel contenitore 11, quest'ultimo viene posto in vibrazione avviando il motore 21. La frequenza di vibrazione può essere opportunamente regolata, ad esempio usando un alimentatore a frequenza variabile 22. Il trattamento è preferibilmente eseguito ad una frequenza di vibrazione che è impostata cosicché le particelle metalliche della miscela levigante avanzano scivolando lungo la superficie della porzione di superficie aereodinamica 7 in contatto con essa. La frequenza di vibrazione che provoca questo fenomeno può essere facilmente selezionata ad esempio partendo da un valore di frequenza basso e aumentando a passi od in modo continuo la frequenza di vibrazione fino a che viene innescato il movimento di scorrimento delle particelle metalliche, una condizione che può essere facilmente rilevata dall'operatore. Usando un idoneo alimentatore a frequenza variabile 22 per il motore elettrico 21 la frequenza di vibrazione può essere regolata al valore efficace che inizia il movimento di avanzamento per scorrimento delle particelle metalliche lungo la porzione di superficie aereodinamica 7.

La Fig.3 illustra schematicamente il fenomeno sopra descritto che è innescato dalla frequenza di vibrazione selezionata: particelle metalliche schematicamente mostrate in P, aderiscono alla superficie 7S e 7P della porzione di superficie aereodinamica 7 ed avanzano come mostrato dalle frecce a tratteggio sotto l'effetto della vibrazione del componente di macchina 1A, 1B vincolato al contenitore vibrante 11 ed alla tavola vibrante 13. Particelle abrasive A sono intrappolate fra le particelle metalliche P, e la superficie 7S o 7P della porzione di superficie aereodinamica 7. Le particelle abrasive A aderiscono alle particelle metalliche e vengono fatte avanzare con esse sotto l'effetto della vibrazione generata dal motore 21. L'avanzamento delle particelle metalliche P con la polvere abrasiva A intrappolata fra queste ultime e le superfici 7S e 7P della porzione di superficie aereodinamica provoca un effetto di levigatura sulla superficie in trattamento.

Poiché il movimento di avanzamento è determinato dalla vibrazione dei componenti di macchina 1A, 1B nel contenitore 11, non vi è sostanzialmente alcuna pressione applicata contro la superficie della porzione di superficie aereodinamica 7 e l'effetto abrasivo è estremamente delicato.

Come schematicamente mostrato in Fig.3, quando le particelle o trucioli metallici P raggiungono il bordo di uscita od il bordo di attacco 7A, 7B della porzione di superficie aereodinamica 7, essi sostanzialmente perdono contatto con il componente di macchina e si allontanano dal componente di macchina o ruotano attorno al bordo spostandosi dal lato di pressione al lato di aspirazione o viceversa. Il ribaltamento delle particelle metalliche P attorno ai bordi 7A, 7B ha luogo sostanzialmente senza che venga esercitata pressione fra la porzione di superficie aereodinamica 7 e le particelle metalliche P, cosicché la forma dei bordi 7A, 7B viene preservata e non viene provocata alcuna alterazione geometrica di essi da parte del flusso di particelle metalliche attorno ai bordi.

Prove eseguite su diversi profili aereodinamici su componenti di macchine mostrano che l'effetto di questo metodo di levigatura da luogo a valori di rugosità inaspettatamente bassi, senza influenzare negativamente la geometria del profilo aereodinamico.

Esempio 1: levigatura di pale statoriche e rotoriche di turbina assiale

Qui di seguito verranno discussi risultati di prove eseguite su una pluralità di campioni di pale stazionarie e ruotanti per turbine assiali, per mostrare l'efficienza del metodo di levigatura in termini di rugosità raggiunta e conservazione della geometria del profilo.

Le prove sono state eseguite su campioni di pale di una turbina a gas heavy duty di General Electric, Evendale, Ohio, USA.

Prove sono state eseguite su campioni di pale di rotore del 2°, 3° e 11° stadio di turbina e su pale stazione del 5°, 6° ed 8° stadio.

Fra i vari parametri che descrivono la geometria delle pale e che possono essere usati per verificare l'effetto del processo di levigatura sulla geometria complessiva del profilo aereodinamico delle pale, è stata selezionata la variazione della corda. La corda è stata misurata a differenti distanze dalla base della pala prima e dopo il processo di levigatura, per verificare come il processo di levigatura influenza tale parametro.

Come sopra menzionato processi di finitura dell'arte corrente influenzano negativamente in particolare la dimensione della corda della pala a causa dell'impatto dei pellet abrasivi sui bordi di attacco e di uscita delle pale, che conduce ad una erosione dei bordi, alla modificazione del loro raggio di curvatura ed alterazione della dimensione della corda. Pertanto la dimensione della corda è un parametro critico da verificare dopo la levigatura, per stabile se il processo di levigatura ha modificato la geometria della pala di una entità tale da pregiudicare l'efficienza della pala.

La seguente tabella 1 riassume i dati principali delle pale testate. La tabella indica il numero del rotore o statore della turbina a gas a cui appartengono le pale testate, il numero di campioni testati e il tempo del ciclo di levigatura. Nella miscela di levigatura sono stati usati ossido di alluminio come abrasivo e particelle di rame. La composizione della miscela di levigatura era la seguente:

- particelle metalliche: 95% in peso

- polvere abrasiva: 0,10% in peso

- acqua: 4,9% in peso

Tabella 1

<Numero cam->Numero

Tempo di ciclo Tempo di Stadio Stadio campione

pione testato (min)ciclo (min) testato

19 120 6 120 12 170 50 120 Rotore 2

10 170 52 170 26 220<Statore 5>70 170 11 120 9 220 19 120 81 220 23 120 26 120 Rotore 3

24 120 41 120 7 170<Statore 8>52 170 38 220 58 170 1 120 6 220 35 120 39 220 7 170 26 120 Rotore 11

19 170 27 120 26 220<Statore 16>85 170 29 220 98 170

114 220 119 220

Facendo inizialmente riferimento al secondo stadio di rotore, la seguente tabella 2 riporta la rugosità aritmetica media Ra misurata su quattro differenti campioni numerati 19, 12, 10, 26 in sei differenti punti della superficie sul lato di aspirazione di ciascun campione di pala dopo la pallinatura e prima della levigatura. I campioni sono numerati con numeri di campione (S/N) 19, 12, 10, 26. Come sopra menzionato, le misure sono espresse in µm (micrometri). La posizione dei sei punti dove è stata misurata la rugosità aritmetica media sono mostrati in Fig.4. Il valore di rugosità aritmetica media in ciascun punto S1-S6 è riportata nelle colonne S1 a S6. L'ultima colonna indica la media calcolata su ciascun campione (media di sei valori di Ra misurati nei punti S1-S6 per ciascun campione):

Tabella 2

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

191.110 1.220 1.180 1.150 1.150 1.240 1.175121.250 1.430 1.110 1.210 1.080 1.140 1.203101.160 1.270 1.160 1.100 1.140 1.380 1.202261.180 1.120 1.230 1.190 1.160 1.090 1.162

La tabella 3 mostra le misure di rugosità aritmetica media Ra sugli stessi campioni di pala di rotore sul lato di pressione di esse in quattro diverse posizioni indicate da P1 a P4, le cui posizioni sono mostrate schematicamente in Fig.4. La tabella 3 riporta il numero di campione (S/N) nella prima colonna ed il valore di rugosità aritmetica media per ciascun campione e ciascuno dei quattro punti P1-P4 nelle colonne P1, P2, P3 e P4. L'ultima colonna (Avg) mostra la media dei quattro valori di rugosità Ra misurati su ciascun campione (media delle quattro misurazioni nei punti P1-P4). I valori sono ancora misurati dopo la pallinatura e prima della levigatura:

Tabella 3

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

191.310 1.280 1.330 1.220 1.285121.270 1.570 1.120 1.080 1.260101.440 1.440 1.310 1.290 1.370261.290 1.240 1.400 1.380 1.328

Le seguenti tabelle 4 e 5 riportano i valori di rugosità Ra sugli stessi campioni e gli stessi numeri di misurazione nonché i valori medi (ultima colonna Avg) dopo il processo di levigatura come sopra descritto:

Tabella 4

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

19 0.190 0.210 0.180 0.160 0.150 0.120 0.168

12 0.200 0.180 0.160 0.160 0.180 0.100 0.163

10 0.150 0.190 0.170 0.190 0.130 0.100 0.155

26 0.150 0.170 0.120 0.140 0.110 0.110 0.133 Tabella 5

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

190.260 0.180 0.180 0.140 0.190

120.100 0.090 0.120 0.100 0.103

100.110 0.130 0.100 0.150 0.123

260.070 0.100 0.100 0.150 0.105

Le Figg.6 e 7 mostrano i sopra riportati dati di rugosità in due diagrammi. La Fig.6 riporta il valore medio (Avg) della rugosità aritmetica media Ra misurata sui sei punti S1-S6 sul lato di aspirazione, prima e dopo la levigatura rispettivamente, per i quattro campioni testati. Il numero del campione (S/N) è riportato sulle ascisse e corrisponde al numero di campioni nella colonna di sinistra delle tabelle 2-5. La Fig.7 riporta la stessa rugosità aritmetica media prima e dopo la levigatura per gli stessi quattro campioni sul lato di pressione.

I dati sopra riportati riassunti nei diagrammi delle Figg.6 e 7 mostrano che la levigatura eseguita sui campioni sotto esame raggiunge una rugosità aritmetica media molto inferiore a quella raggiungibile con una barilatura a vibrazione. Su entrambi i lati di aspirazione e pressione dei campioni testati è stata raggiunta una rugosità aritmetica media inferiore a 0,2 µm ed in alcuni casi attorno a 0,1 µm.

I test mostrano anche che la rugosità aritmetica media migliora molto poco oltre i 120 minuti di tempo di trattamento. Il tempo di trattamento per ciascun campione è mostrato in tabella 1.

Allo scopo di verificare se la geometria finale di pala ottenuta dopo la levigatura è coerente con i requisiti stringenti applicati a questo tipo di componente di macchina, l'estensione del profilo della corda è stata misurata prima e dopo il trattamento di levigatura su tutti i quattro campioni sotto test. La Fig.8 riporta la differenza delle dimensioni di corda misurate prima e dopo la levigatura. Le misure sono state eseguite su dieci differenti posizioni di pala, partendo dalla base verso la punta e sono riportate lungo l'asse orizzontale. La differenza dimensionale è riportata sull'asse verticale ed espressa in millimetri. Gli stessi parametri sono mostrati nelle seguenti Figg.11, 14, 17, 20, 23, che si riferiscono a test eseguiti su ulteriori campioni di pala e che verranno discussi più avanti.

I dati riportati in Fig.8 mostrano che in ciascun caso la discrepanza fra la geometria iniziale e la geometria finale delle pale dopo la levigatura è trascurabile. Questo mostra che, nonostante la levigatura estremamente efficiente raggiunta, con valori di rugosità (Ra) al di sotto di 0,02 µm, la geometria della pala rimane sostanzialmente inalterata.

Test eseguiti su diverse pale di turbomacchina hanno mostrato che l'alterazione totale della dimensione della corda è inferiore a 0,1 mm, usualmente pari od inferiore a 0,07 mm e che possono essere raggiunte alterazioni limitate sino a 0,02 mm, mentre si ottengono ancora i sopra menzionati desiderati valori di rugosità aritmetica media sul lato di pressione e sul lato di aspirazione della pala.

Le seguenti tabelle 6 a 9 riportano le misure di rugosità su sei campioni di pale di rotore del terzo stadio di turbina. Le Figg.6 e 7 riportano i valori di rugosità aritmetica media (Ra) per il lato di aspirazione e per il lato di pressione, rispettivamente, basati sui dati riportati nelle tabelle 6 a 9, prima e dopo il processo di levigatura. La tabella 6 mostra la rugosità aritmetica media locale (Ra) misurata in micrometri su sei punti S1-S6 (posizionati come mostrato in Fig.4) sul lato di aspirazione di ciascuno dei sei campioni numerati 19, 11, 23, 24, 7 e 38 prima della levigatura:

Tabella 6

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg 19 1.260 1.210 1.440 1.380 1.170 1.260 1.287 11 1.250 1.280 1.310 1.520 1.380 1.490 1.372 23 1.290 1.360 1.230 1.460 1.230 1.180 1.292 24 1.340 1.380 1.420 1.450 1.370 1.310 1.378 7 1.230 1.340 1.290 1.310 1.400 1.420 1.332 38 1.290 1.350 1.270 1.320 1.420 1.400 1.342

La seguente tabella 7 mostra i valori di rugosità aritmetica media misurati su quattro punti P1-P4 sul lato di pressione (Fig.5) degli stessi sei campioni prima della levigatura:

Tabella 7

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

19 1.130 1.330 1.320 1.640 1.355 11 1.380 1.350 1.330 1.350 1.353 23 1.200 1.300 1.230 1.270 1.250 24 1.330 1.290 1.300 1.260 1.295 7 1.290 1.320 1.300 1.230 1.285

38 1.440 1.380 1.290 1.150 1.315

Le seguenti tabelle 8 e 9 mostrano i valori di rugosità aritmetica media misurati sugli stessi campioni negli stessi punti delle Figg.6 e 7 dopo la levigatura:

Tabella 8

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

19 0.140 0.190 0.180 0.140 0.130 0.280 0.177 11 0.110 0.110 0.100 0.140 0.120 0.110 0.115 23 0.110 0.170 0.150 0.180 0.170 0.180 0.160 24 0.130 0.140 0.110 0.100 0.100 0.110 0.115 7 0.120 0.110 0.110 0.250 0.110 0.100 0.133 38 0.100 0.090 0.130 0.170 0.100 0.100 0.115

Tabella 9

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

19 0.110 0.110 0.120 0.110 0.113 11 0.090 0.110 0.090 0.090 0.095 23 0.090 0.160 0.180 0.150 0.145 24 0.090 0.110 0.120 0.130 0.113 7 0.090 0.100 0.090 0.100 0.095

38 0.080 0.070 0.080 0.080 0.078

Il numero di campione (S/N) è riportato nella prima colonna.

Le Figg.9 e 10 mostrano due diagrammi che riportano i dati di rugosità aritmetica media prima e dopo la levigatura sul lato di aspirazione (Fig.9) e sul lato di pressione (Fig.10). Il numero del campione (S/N) è riportato sulle ascisse e corrisponde al numero di campione elencato nella prima colonna nelle tabelle 6 a 9. I dati riportati nei diagrammi sono i valori medi mostrati nell'ultima colonna di dette tabelle.

La Fig.11 riporta la differenza fra le dimensioni misurate della corda in diffe-

renti posizioni lungo il profilo aereodinamico rispetto alla dimensione iniziale (cioè

la dimensione prima della levigatura) per i sei campioni sotto test. La Fig.11 mostra

che anche per questa serie di test il processo di levigatura raggiunge una rugosità

molto inferiore a 0,2 µm senza influenzare negativamente la geometria del profilo.

L'alterazione dimensionale è riportata in mm sull'asse verticale. La posizione lungo la

porzione di superficie aereodinamica è riportata sull'asse orizzontale.

Le seguenti tabelle 10, 11, 12 e 13 riportano i valori misurati di rugosità arit-

metica media sul lato di aspirazione e sul lato di pressione prima della levigatura (ta-

belle 10 e 11) e dopo la levigatura (tabelle 12 e 13) per sei campioni di pale di rotore

(S/N 1, 35, 7, 19, 29, 26) appartenenti all'11° stadio di turbina:

Tabella 10

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

1 0.450 0.500 0.560 0.510 0.500 0.550 0.512 35 0.620 0.570 0.730 0.510 0.520 0.690 0.607 7 0.500 0.590 0.580 0.500 0.480 0.610 0.543 19 0.600 0.570 0.540 0.520 0.580 0.550 0.560 29 0.520 0.500 0.580 0.540 0.470 0.540 0.525 26 0.550 0.590 0.530 0.510 0.490 0.580 0.542

Tabella 11

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

1 0.450 0.470 0.450 0.510 0.470

35 0.540 0.520 0.530 0.600 0.548 7 0.460 0.530 0.510 0.520 0.505

19 0.450 0.460 0.490 0.520 0.480 29 0.610 0.650 0.760 0.640 0.665 26 0.510 0.510 0.570 0.500 0.523

Tabella 12

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

1 0.130 0.150 0.190 0.180 0.170 0.140 0.160 35 0.120 0.140 0.200 0.170 0.160 0.110 0.150 7 0.120 0.140 0.180 0.190 0.160 0.160 0.158 19 0.130 0.140 0.120 0.170 0.190 0.160 0.152 29 0.140 0.120 0.160 0.150 0.120 0.110 0.133 26 0.090 0.090 0.160 0.130 0.120 0.110 0.117 Tabella 13

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

1 0.130 0.150 0.180 0.210 0.168

35 0.130 0.110 0.150 0.240 0.158 7 0.110 0.170 0.120 0.150 0.138

19 0.130 0.140 0.130 0.160 0.140 29 0.110 0.110 0.090 0.100 0.103 26 0.110 0.090 0.150 0.130 0.120

I dati di rugosità aritmetica media riportati nelle tabelle che precedono sono riassunti nei diagrammi delle Figg.12 e 13. La Fig.14 illustra, analogamente alle Figg.8 e 11, l'alterazione della dimensione della corda a seguito del processo di finitura o levigatura in differenti posizioni lungo il profilo aereodinamico, partendo dalla base verso la punta.

Test eseguiti su campioni di pale sul 5°, 8° e 16° stadio statorico della stessa turbina mostrano risultati simili in termini di valore di rugosità raggiunti e alterazione non significativa della geometria della pala. Le seguenti tavole 14, 15, 16 e 17 riportano i dati di rugosità misurata sul lato di aspirazione (tabella 14) e sul lato di pressione (tabella 15) prima della levigatura ed i valori di rugosità sul lato di aspirazione (tabella 16) e sul lato di pressione (tabella 17) dopo la levigatura, rispettivamente.

Tabella 14

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg 6 1.370 1.530 1.800 1.630 1.450 1.432 1.535 50 1.480 1.290 1.550 1.560 1.550 1.500 1.488 70 1.370 1.470 1.660 1.410 1.400 1.410 1.453 52 1.460 1.520 1.630 1.550 1.400 1.480 1.507 9 1.460 1.450 1.690 1.420 1.430 1.620 1.512 81 1.470 1.430 1.560 1.670 1.370 1.520 1.503 Tabella 15

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

6 1.440 1.370 1.430 1.450 1.423

50 1.360 1.390 1.480 1.460 1.423 70 1.330 1.600 1.440 1.610 1.495 52 1.390 1.260 1.450 1.460 1.390 9 1.420 1.420 1.600 1.550 1.498

81 1.360 1.610 1.310 1.560 1.460

Tabella 16

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

6 0.140 0.170 0.150 0.120 0.160 0.170 0.152 50 0.150 0.170 0.180 0.120 0.110 0.170 0.150 70 0.140 0.160 0.180 0.190 0.150 0.150 0.162 52 0.120 0.140 0.150 0.160 0.180 0.160 0.152 9 0.100 0.130 0.150 0.170 0.170 0.100 0.137 81 0.100 0.120 0.150 0.180 0.190 0.090 0.138

Tabella 17

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

6 0.110 0.100 0.120 0.120 0.113

50 0.130 0.120 0.160 0.112 0.131 70 0.110 0.100 0.090 0.100 0.100 52 0.100 0.130 0.140 0.120 0.123 9 0.090 0.110 0.120 0.140 0.115

81 0.100 0.090 0.120 0.130 0.110

Vengono raggiunti valori di rugosità aritmetica media attorno od inferiori a

0,15 µm sia sul lato di pressione sia sul lato di aspirazione delle pale. Le Figg.15 e 16

riassumono i dati sulla rugosità aritmetica media prima e dopo la levigatura, rispetti-

vamente sul lato di aspirazione e sul lato di pressione.

La Fig.17 illustra le alterazioni della dimensione della corda rispetto al valore

iniziale, cioè prima della levigatura, in sette distinte posizioni lungo l'altezza della

pala dopo la levigatura. Così come per le pale rotoriche sopra descritte, anche nel ca-

so di pala statorica del 5° stadio il processo di levigatura non ha sostanzialmente ef-

fetto sulla geometria complessiva della pala.

Le seguenti tavole 18, 19, 20 e 21 mostrano le misurazioni di rugosità prima

della levigatura (Tabella 18 - lato aspirazione, tabella 19 - lato di pressione) e dopo la

levigatura (tabella 20 - lato aspirazione, tabella 21 - lato di pressione) per sei diffe-

renti campioni di pale statoriche dell'8° stadio della turbina. Vengono ottenuti valori

di rugosità aritmetica media inferiori a 0,2 µm, principalmente attorno o al di sotto di

0,15 µm. I valori di rugosità aritmetica media (prima e dopo la levigatura) sul lato di

aspirazione e sul lato di pressione sono rappresentati e riassunti nelle Figg.18 e 19,

rispettivamente.

Tabella 18

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

26 1.270 1.410 1.250 1.530 1.390 1.450 1.383 41 1.260 1.590 1.580 1.600 1.280 1.310 1.437 52 1.300 1.380 1.740 1.620 1.330 1.480 1.475 58 1.310 1.330 1.450 1.520 1.410 1.270 1.382 6 1.390 1.430 1.460 1.570 1.360 1.360 1.428 39 1.400 1.450 1.690 1.780 1.320 1.530 1.528

Tabella 19

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

26 1.210 1.540 1.260 1.440 1.363 41 1.280 1.500 1.540 1.350 1.418 52 1.340 1.400 1.320 1.520 1.395 58 1.250 1.530 1.650 1.630 1.515 6 1.210 1.380 1.320 1.380 1.323

39 1.310 1.410 1.610 1.670 1.500

Tabella 20

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

26 0.180 0.210 0.190 0.160 0.140 0.210 0.182 41 0.120 0.130 0.160 0.180 0.170 0.180 0.157 52 0.130 0.160 0.150 0.150 0.180 0.120 0.148 58 0.120 0.150 0.150 0.170 0.160 0.120 0.145 6 0.090 0.120 0.150 0.100 0.130 0.100 0.115 39 0.120 0.150 0.150 0.110 0.110 0.090 0.122 Tabella 21

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

26 0.170 0.220 0.180 0.160 0.183 41 0.110 0.100 0.130 0.130 0.118 52 0.130 0.130 0.160 0.150 0.143 58 0.120 0.150 0.130 0.110 0.128 6 0.100 0.120 0.100 0.140 0.115

39 0.110 0.110 0.200 0.180 0.150

La Fig.20, analogamente alle Figg.17 e 14, riporta l'alterazione dell'estensione

della corda dovuta al processo di levigatura. I dati riportati nella Fig.20 mostrano che

anche in questo caso il processo di levigatura non ha sostanzialmente effetto sulla

geometria del profilo aereodinamico, cioè la geometria delle pale rimane sostanzial-

mente inalterata e conseguentemente esse mantengono la loro funzionalità sostan-

zialmente inalterata.

Infine le tabelle 22, 23, 24 e 25 riportano i valori di rugosità aritmetica media

misurata sul lato di aspirazione e sul lato di pressione prima della levigatura (tabella

22 - lato aspirazione; tabella 23 - lato pressione) e dopo la levigatura (tabella 24 - lato

aspirazione; tabella 25 - lato pressione) per sei campioni di pale statoriche del 16°

stadio della turbina.

Tabella 22

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

27 1.620 1.660 1.400 1.520 1.610 1.530 1.557 26 1.710 1.690 1.610 1.630 1.720 1.530 1.648 85 1.570 1.510 1.570 1.760 1.700 1.700 1.635 98 1.750 1.810 1.630 1.630 1.930 1.750 1.750 114 1.630 1.450 1.420 1.480 1.560 1.620 1.527 119 1.600 1.560 1.490 1.590 1.500 1.590 1.555

Tabella 23

S/N P1 P2 P3 P4 Avg

27 1.740 1.700 1.840 2.170 1.863 26 1.740 2.010 1.900 1.830 1.870 85 1.580 1.750 1.690 1.970 1.748 98 2.060 1.830 1.840 1.820 1.888 114 1.800 1.850 1.720 1.880 1.813 119 1.710 1.700 1.960 1.930 1.825 Tabella 24

S/N S1 S2 S3 S4 S5 S6 Avg

27 0.180 0.150 0.190 0.160 0.130 0.180 0.165

26 0.210 0.180 0.160 0.200 0.190 0.190 0.188

85 0.190 0.200 0.150 0.150 0.170 0.210 0.178

98 0.190 0.190 0.160 0.150 0.180 0.180 0.175

114 0.140 0.170 0.150 0.170 0.160 0.130 0.153

119 0.140 0.150 0.190 0.180 0.140 0.130 0.155

Tabella 25

S/N P1 P2 P3 P4 Avg 27 0.180 0.160 0.210 0.160 0.178 26 0.150 0.120 0.180 0.190 0.160 85 0.160 0.140 0.170 0.150 0.155 98 0.130 0.140 0.160 0.140 0.143 114 0.140 0.110 0.140 0.140 0.133 119 0.150 0.170 0.160 0.150 0.158

Le Figg.21 e 22 riassumo i valori di rugosità aritmetica media sul lato di aspirazione e sul lato di pressione rispettivamente, per le pale statoriche del 16° stadio. Anche in questo caso vengono raggiunti valori di rugosità aritmetica media molto al di sotto di 0,2 µm.

Il diagramma della Fig.23 mostra la sostanziale mancanza di effetto del processo di levigatura sulla geometria delle pale, la cui dimensione di corda rimane sostanzialmente non influenzata.

Levigatura di giranti

Il metodo di levigatura sopra descritto può essere vantaggiosamente usato per levigare giranti per compressori centrifughi, pompe e turbomacchine assiali radiali o radiali in generale.

Una forma di realizzazione esemplificativa di una tale girante è mostrata in Fig.24. La girante, indicata con 30 nel suo complesso, comprende un disco 31 e un contro disco 33. Una pluralità di pale 35 sono distribuite fra il disco 31 ed il contro disco 33. Tra pale 35 adiacenti vengono definiti rispettivi vani di flusso 37. Le pale 35 costituiscono porzioni di superficie aereodinamica di questo componente di macchina e sono provviste ciascuna di un bordo di attacco 35A e di un bordo di uscita 35B. L'ingresso del fluido è definito al lato di ingresso della girante, dove sono disposti i bordi di attacco 35A. Fluido pressurizzato viene scaricato radialmente sul lato di scarico della girante 30, fra i bordi di uscita 35B delle pale 35.

In alcune forme di realizzazione il contro disco 33 forma un profilo esterno a gradini per cooperare con una disposizione di tenuta disposta nella cassa fissa, dove la girante 30 è supportata per ruotare.

In Fig.25 è mostrata una girante 30 durante la fase di levigatura. L'apparato per eseguire la fase di levigatura è indicato con 10 e può essere sostanzialmente lo stesso come descritto con riferimento alla Fig.2. Durante la fase di levigatura la girante 30 è vincolata al contenitore 11 e vibra con esso quando il motore 21 ruota e provoca la vibrazione della tavola vibrante 13.

Regolando la frequenza della vibrazione, può essere individuata una frequenza alla quale le particelle metalliche contenute nella miscela levigante M scorrono lungo la superficie interna ed esterna della girante 30 ed in particolare circolano all'interno dei vani 37. Polvere abrasiva fra la superficie trattata dalla girante 30 e le particelle di metallo viene in questo modo fatta agire sulla superficie trattata a causa del movimento di scorrimento delle particelle di metallo lungo le superfici sotto trattamento, più o meno nello stesso modo descritto sopra in relazione alla Fig.3. Un flusso sostanzialmente continuo di miscela levigante M viene generato attorno alla girante 30 e attraverso i vani 37. Le complessive superfici interne ed esterne della girante 30 vengono così levigate, ed in particolare il lato di pressione ed il lato di aspirazione di ciascuna pala 35, nonché la superficie interna del contro disco e la superficie interna del disco, le quali insieme alle superficie delle pale definiscono i canali di flusso attraverso cui il fluido viene elaborato quando la girante ruota nella turbomacchina.

Contrariamente a quanto accade nei processi di lavorazione tramite flusso abrasivo dell'arte corrente nei processi di levigatura, la miscela levigante M fluisce attraverso vani delle giranti 30 sostanzialmente senza pressione, cosicché la geometria della girante rimane non influenzata dalle particelle leviganti che agiscono su di essa, mentre il trattamento delicato ottenuto dallo spostamento delle particelle metalliche con la polvere abrasiva su di esse lungo le superfici della girante provoca una sostanziale riduzione della rugosità aritmetica media delle superfici interne ed esterne della girante.

Esempio 2

I seguenti dati sono stati ottenuti su un campione di una girante di compressore centrifugo bidimensionale trattata con il processo di levigatura sopra descritto. Questi dati mostrano che il processo è atto a raggiungere valori di rugosità aritmetica media (Ra) molto bassi senza influenzare negativamente la geometria delle parti critiche della girante, in particolare le pale, che definiscono i profili aereodinamici della girante.

Il processo di levigatura è stato eseguito con una miscela levigante avente la seguente composizione:

Particelle metalliche (rame): 93,67% in peso

Abrasivo (ossido di alluminio): 0,24% in peso

Mezzo levigante (sapone): 0,47% in peso

Acqua: 5,62% in peso

La girante è stata mantenuta in vibrazione per 7 ora e 30 minuti.

La seguente tabella 26 riporta la rugosità aritmetica media misura prima e dopo la levigatura in tre diversi punti lungo un vano fra pale consecutive della girante, partendo dall'uscita della girante. Le misure sono state eseguite in tre diversi punti a 10, 44 e 75 mm dall'uscita della girante in direzione radiale.

Poiché la misurazione richiede la rimozione parziale del contro disco, le misurazioni prima e dopo la levigatura sono state eseguite su vani differenti. La porzione di contro disco è stata inizialmente rimossa da un vano per avere accesso al suo interno. Dopo la levigatura una ulteriore porzione di contro disco è stata rimossa da un vano differente, cosicché il trattamento di levigatura del vano misurato è stata eseguita con il vano chiuso dal contro disco.

Tabella 26

Distanza Ra dopo la levigadall’uscita[mm Direzione Ra prima della le- tura

] della misura vigatura [µm] [µm]

Punto 1 10 Radiale 0.87 0.14

Punto 2 44 Radiale 0.76 0.27

Punto 3 75 Radiale 0.94 0.25

La dimensione assiale dell'uscita della girante e lo spessore di pala sono stati usati come parametri significativi per verificare l'effetto del processo di levigatura sulla geometria complessiva della pala. La Fig.26 mostra un ingrandimento di una uscita di un vano 37 della girante 30. La dimensione B, cioè l'altezza in direzione assiale dell'uscita, è stata misurata in differenti posizioni per differenti vani della girante.

La differenza su misurazioni prima e dopo la levigatura è trascurabile e al di sotto della sensibilità (0,005 mm) dello strumento usato, in entrambi i vani considerati e per tutte le posizioni di misura.

La seguente tabella 27 mostra lo spessore di tre pale della stessa girante misurati in corrispondenza del loro bordo di uscita. La tabella riporta lo spessore di pala prima e dopo la levigatura. La differenza fra misurazioni prima e dopo il trattamento è trascurabile.

Tabella 27

Larghezza Differenza

pala [mm]

PALA 1 0.005

PALA 2 0.017

PALA 3 0.006

Questi dati mostrano che il processo di levigatura non ha sostanzialmente effetto sulla geometria della girante e sul profilo delle pale.

Esempio 3

Una girante tridimensionale di acciaio al carbonio schematicamente mostrata nelle Figg.27 a 29 è stata sottoposta ad un processo di levigatura con una miscela levigante composta come segue:

Particelle metalliche (rame): 96% in peso

Abrasivo (ossido di alluminio): 0,25% in peso

Mezzo levigante (sapone): 0,20% in peso

Acqua: 3,55% in peso.

Il processo è stato eseguito per 6 ore in una macchina di levigatura 10 come mostrato in Fig.25.

La Fig.27 mostra una vista assiale dall'alto della girante prima della fase di levigatura. Le lettere A, B, C e D indicano quattro aree in cui è stata misurata la rugosità aritmetica media Ra prima del trattamento. L'area D è all'interno di uno dei vani della girante. Una porzione del contro disco della girante è stata rimossa per scopi di misurazione, come mostrato in Fig.27. La Fig.28 illustra una vista simile alla Fig.27, con un ulteriore porzione di contro disco rimossa, per avere accesso ad una zona indicata con E, all'interno di un ulteriore vano della girante. L'area E è stata resa accessibile per misurare la rugosità di essa rimuovendo la rispettiva porzione di contro disco dopo la levigatura.

La tabella 28 mostra la rugosità aritmetica media misurata nelle aree A-D prima della levigatura e nelle aree A-E dopo la levigatura:

Tabella 28

Ra PRIMA Ra DOPO

della levigatura (µm) la levigatura (µm)

Area A 2.06 0.16

Area B 1.78 0.10

Area C 2.40 0.12

Area D 2.51 0.13

Area E - 0.10

Come meglio visibile in Fig.29, la girante ha una pluralità di anelli di tenuta previsti sull'occhio della girante. In Fig.29 sono mostrati cinque anelli indicati con R1-R5. I riferimenti dx e sx indicano l'altezza dell'apertura di uscita di un vano della girante e D indica il diametro interno del passaggio d'albero previsto nel disco della girante.

Misure eseguite sulle dimensioni di queste parti della girante prima e dopo la levigatura mostrano che queste dimensioni critiche della girante non vengono alterate dal processo di levigatura, nonostante i valori di rugosità aritmetica media estremamente bassi raggiunti al termine del processo di levigatura (Tabella 28).

La seguente tabella 29 riassume le misure eseguite prima e dopo la levigatura sul diametro interno del disco, sul diametro dei cinque anelli di tenuta R1-R5 e sulle dimensioni assiali dx e sx dell'uscita del vano, rispettivamente:

Tabella 29

PRIMA DOPO CONSUMO

[mm] [mm] [mm]

Diametro interno 127.016 127.035 0.019

Diametro R1 209.975 209.947 0.028

Diametro R2 211.978 211.944 0.034

Diametro R3 213.979 213.939 0.040

Diametro R4 215.981 215.937 0.044

Diametro R5 217.983 217.937 0.046

Come dimostrato dai dati riportati nella sopra riportata tabella 29, le parti critiche della girante rimangono non affette dal processo di levigatura, il quale raggiunge valori di rugosità aritmetica media estremamente bassi, attorno a 0,1 µm.

Tolleranze sullo spessore medio di pala sono usualmente attorno a /- 5% e le tolleranze sulla larghezza dell'uscita media sono attorno a /- 3%. Le misurazioni eseguite su campioni trattati con il metodo qui descritto mostrano che la modifica di queste misure critiche è trascurabile e molto al di sotto delle tolleranze accettabili.

Mentre le forme di realizzazione descritte dell’oggetto qui illustrato sono state mostrate nei disegni e descritte integralmente in quanto sopra con particolari e dettagli in relazione a diverse forme di realizzazione esemplificative, gli esperti nell’arte comprenderanno che molte modifiche, cambiamenti e omissioni sono possibili senza uscire materialmente dagli insegnamenti innovativi, dai principi e dai concetti sopra esposti, e dai vantaggi dell’oggetto definito nelle rivendicazioni allegate. Pertanto l’ambito effettivo delle innovazioni descritte deve essere determinato soltanto in base alla più ampia interpretazione delle rivendicazioni allegate, così da comprendere tutte le modifiche, i cambiamenti e le omissioni. Inoltre, l’ordine o sequenza di qualunque fase di metodo o processo può essere variata o ridisposta secondo forme di realizzazione alternative.

Claims

"METODO PER LA LEVIGATURA DI COMPONENTI DI MACCHINE CON PROFILO AEREODINAMICO" RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per levigare un componente di macchina comprendente almeno una porzione di superficie aereodinamica comprensiva di un lato di aspirazione, di un lato di pressione, un bordo di attacco ed un bordo di uscita, detto metodo comprendendo le seguenti fasi: disporre il componente di macchina in un contenitore e vincolare detto componente di macchina a detto contenitore; aggiungere una miscela levigante nel contenitore, detta miscela levigante contenendo almeno: polvere abrasiva, un liquido e particelle metalliche; vibrare il contenitore ed il componente di macchina ad esso vincolato, con ciò generando un flusso di miscela levigante lungo la porzione di superficie aereodinamica fino al raggiungimento di una rugosità aritmetica media finale (Ra) uguale a o inferiore a 0,3 µm su almeno una porzione di detta porzione di superficie aereodinamica e preferibilmente su l'intera porzione di superficie aereodinamica, mantenendo la dimensione e la forma della porzione di superficie aereodinamica sostanzialmente inalterata.
2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui viene raggiunta una rugosità aritmetica media finale (Ra) pari o inferiore a 0,2 µm.
3. Il metodo della rivendicazione 1, in cui la rugosità aritmetica media finale (Ra) raggiunta è uguale od inferiore a 0,17 µm e preferibilmente uguale o inferiore a 0,15 µm.
4. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la fase di selezionare una frequenza di vibrazione di detto contenitore e di detto componente di macchina, la quale provoca l'avanzamento delle particelle di metallo lungo la porzione di superficie aereodinamica in adesione con essa e generando un'azione di levigatura della porzione di superficie aerodinamica per mezzo di polvere abrasiva fra la porzione di superficie aereodinamica e le particelle metalliche che scorrono lungo di essa.
5. Il metodo della rivendicazione 4, in cui le particelle metalliche hanno superfici sostanzialmente piane, ed in cui dette particelle metalliche vengono fatte avanzare per vibrazione lungo la porzione di superficie aereodinamica con le superfici piane di esse in contatto con la porzione di superficie aereodinamica.
6. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un trattamento di pallinatura preliminare.
7. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di generare un flusso di detta miscela levigante lungo la porzione di superficie aereodinamica comprende l'avanzare le particelle metalliche della miscela levigante lungo il lato di pressione e lato di aspirazione della porzione di superficie aereodinamica.
8. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto componente di macchina è una pala di una turbomacchina assiale, avente una base ed una punta, in cui la porzione di superficie aereodinamica si estende fra detta base e detta punta, una corda di profilo aereodinamico essendo definita fra il bordo di attacco e il bordo di uscita in ciascuna posizione della porzione di superficie aereodinamica da detta base a detta punta, ed in cui una lunghezza della corda viene mantenuta sostanzialmente inalterata durante detta fase di vibrazione del componente di macchina fino al raggiungimento di una rugosità aritmetica media finale di 0,3 µm o meno, preferibilmente di 0,2 µm o meno.
9. Il metodo della rivendicazione 8, in cui detta rugosità aritmetica media finale è 0,17 µm o meno.
10. Il metodo della rivendicazione 8 o 9, in cui durante la fase di vibrazione del componente di macchina la lunghezza della corda è variata di meno dello 0,05% e preferibilmente di meno dello 0,03%.
11. Il metodo della rivendicazione 8, 9 o 10, in cui durante la fase di vibrazione del componente di macchina la lunghezza della corda è ridotta di non più di 0,1 mm, preferibilmente non più di 0,07 mm e ancora più preferibilmente di non più di 0,02 mm.
12. Il metodo di una o più delle rivendicazioni 1 a 7, in cui detto componente di macchina è una girante di turbomacchina comprendente un disco con un foro centrale di ricezione di un albero di azionamento ed una pluralità di pale disposte su detto disco attorno a detto foro di ricezione dell'albero di trascinamento, vani essendo definiti fra pale adiacenti, ciascun vano avendo un ingresso ed una uscita, ciascuna pala avendo un bordo di attacco all'ingresso ed un bordo di uscita all'uscita del corrispondente vano, ed in cui la vibrazione del componente di macchina provoca la circolazione della miscela levigante in detti vani.
13. Il metodo della rivendicazione 12, in cui durante la fase di vibrazione del componente di macchina un diametro interno di detto foro centrale di ricezione dell'albero di azionamento rimane sostanzialmente inalterato quando la rugosità aritmetica media finale raggiunta sulla superficie interna dei vani è pari o inferiore a 0,3 µm e preferibilmente pari o inferiore a 0,2 µm.
14. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 13, in cui durante la fase di vibrazione lo spessore delle pale di detta girante è ridotta di meno dello 0,5% in media e preferibilmente di meno dello 0,4% in media.
15. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 14, in cui durante la fase di vibrazione lo spessore delle pale di detta girante è ridotto di non più di 0,1 mm, preferibilmente di non più di 0,07 mm e ancora più preferibilmente di non più di 0,02 mm.
16. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 15, in cui durante detta fase di vibrazione del componente di macchina il diametro del foro centrale di ricezione dell'albero di azionamento varia di meno dello 0,05% e preferibilmente di meno dello 0,02%.
17. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 16, in cui: detta girante comprende un contro disco comprensivo di un occhio di girante; detto occhio di girante ha una superficie esterna con almeno una porzione di superficie esterna cilindrica; e durante detta fase di vibrazione del componente di macchina, il diametro della porzione di superficie esterna cilindrica rimane sostanzialmente inalterato quando la rugosità aritmetica media finale raggiunta su una superficie interna di detti vani è uguale a o inferiore a 0,3 µm e preferibilmente uguale a o inferiore a 0,2 µm.
18. Il metodo della rivendicazione 17, in cui durante detta fase di vibrazione del componente di macchina un diametro della porzione di superficie esterna cilindrica è variato di meno dello 0,01% e preferibilmente di meno dello 0,008%.
19. Il metodo della rivendicazione 17 o 18, in cui il disco, il contro disco e pale di girante adiacenti definiscono vani di flusso fra di essi, ciascun vano di flusso avendo una apertura di uscita ai bordi di uscita delle pale ed in cui durante la fase di vibrazione una dimensione assiale delle aperture di uscita varia in media di meno dello 0,05% e preferibilmente meno dello 0,04%.
20. Metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni 11 a 16, in cui detta girante è una girante senza contro disco ed in cui detto metodo comprende inoltre la fase di applicare una chiusura di girante, che chiude detti vani lungo le punte di dette pale prima di aggiungere detta miscela levigante nel contenitore.
21. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui dette particelle metalliche comprendono trucioli metallici, preferibilmente aventi una forma piana.
22. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui dette particelle metalliche comprendono particelle di rame.
23. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta polvere abrasiva è ossido di alluminio, ceramica od una loro combinazione.
24. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto liquido comprende acqua.
25. Il metodo della rivendicazione 24, in cui detto liquido comprende acqua ed un mezzo lucidante.
26. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta miscela levigante ha la seguente composizione in peso: particelle metalliche 90 - 98% polvere abrasiva 0,05 - 0,4% liquido 3 - 10%.
27. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di vibrare il contenitore ed il componente di macchina vincolato ad esso dura fra 5 e 8 ore, preferibilmente da 6 a 7 ore.
28. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta fase di vibrare il contenitore ed il componente di macchina vincolato ad esso dura fra 1,5 e 10 ore.
29. Un componente di macchina comprendente una porzione di superficie aereodinamica, in cui detta porzione di superficie aereodinamica ha una rugosità aritmetica media (Ra) pari od inferiore a 0,3 µm, preferibilmente pari od inferiore a 0,2 µm, più preferibilmente pari od inferiore a 0,17 µm ed ancora più preferibilmente pari od inferiore a 0,15 µm.
30. Il componente di macchina della rivendicazione 29, selezionato dal gruppo comprendente: una pala di turbomacchina assiale; una girante di turbomacchina.