ITMI20081723A1

ITMI20081723A1 - Manovellismo per un compressore alternativo

Info

Publication number: ITMI20081723A1
Application number: IT001723A
Authority: IT
Inventors: Nicola Campo; Carmelo Maggi
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2010-03-30
Also published as: CA2680443C; CA2680443A1; EP2169242A1; CN101713392B; JP2010101311A; CN101713392A; IT1391112B1; EP2169242B1; JP5491807B2

Description

MANOVELLISMO PER UN COMPRESSORE ALTERNATIVO

La presente invenzione si riferisce in generale alle macchine operatrici a fluido e, piÃ¹ in particolare ma non esclusivamente, agli organi di manovellismo presenti all'interno di un compressore alternativo a doppio effetto.

Come Ã ̈ noto, un compressore Ã ̈ una macchina in grado di innalzare la pressione di un fluido comprimibile (gas) mediante l'impiego di energia meccanica. Nei compressori alternativi, la compressione del fluido Ã ̈ operata da uno o piÃ¹ pistoni mobili di moto alternato all'interno di un rispettivo cilindro. Il fluido da comprimere Ã ̈ aspirato nel cilindro attraverso uno o piÃ¹ condotti di aspirazione, mentre quello compresso Ã ̈ espulso dal cilindro verso uno o piÃ¹ condotti di mandata. Comunemente, il pistone o i pistoni di un compressore alternativo sono azionati da motori elettrici oppure da motori a combustione interna, attraverso un albero a gomiti per la trasmissione del moto e un tradizionale meccanismo biella-manovella .

Nei compressori alternativi a doppio effetto ciascun pistone non effettua alcuna corsa "a vuoto", in quanto comprime il gas in emtrambe le sue direzioni di moto. Proprio per questa ragione, il pistone stesso non puÃ² essere direttamente collegato alla biella del meccanismo biella-manovella, perchÃ© il cilindro di tipo chiuso non permetterebbe alla biella di oscillare. Tra il pistone e la biella viene quindi posto un meccanismo denominato "testa a croce". Il pistone Ã ̈ collegato ad un'asta, mobile esclusivamente di moto rettilineo, e l'asta Ã ̈ collegata alla testa a croce. Lo stelo quindi non oscilla mentre la biella, collegata all'altro lato della testa a croce, puÃ² invece oscillare liberamente.

La testa a croce, attraverso i pattini di cui Ã ̈ provvista, Ã ̈ in grado di scorrere all'interno di opportune guide fisse, chiamate "contropattini", che ne consentono il movimento nella stessa direzione della corsa del pistone. Dato che le superfici esterne dei pattini della testa a croce sÃ¬ muovono rispetto alle superfici interne delle relative guide, Ã ̈ necessaria l'introduzione di olio lubrificante che impedisca il reciproco contatto. Il sistema di lubrificazione Ã ̈ di tipo forzato e, fornendo alla testa a croce un sostentamento principalmente di tipo idrostatico, impedisce l'usura delle parti in movimento interessate.

Durante il movimento alterno della testa a croce possono verificarsi particolari condizioni di funzionamento, ad esempio quando il pistone si muove a basse velocitÃ , in cui la testa a croce stessa non Ã ̈ in grado di alimentare una quantitÃ sufficiente di olio lubrificante. In una tale situazione lo strato di olio lubrificante diventa estremamente sottile e si possono verificare perdite per attrito, con conseguente produzione di calore ed aumento della temperatura dell'olio lubrificante stesso che ne riducono la viscositÃ , diminuendo ulteriormente le capacitÃ lubrificanti. Nelle situazioni peggiori, le superfici possono anche entrare in contatto l'una con l'altra, con conseguenti possibili danneggiamenti per la macchina a fluido.

Il documento DE 10222 313 CI illustra un motore provvisto di un pistone mobile all'interno di un corrispondente cilindro e collegato, tramite una biella, a una testa a croce. La testa a croce Ã ̈ provvista di una coppia di pattini di scorrimento contrapposti, tra loro identici, mobili lungo rispettive guide di scorrimento. La superficie di scorrimento di ciascuna guida Ã ̈ opportunamente sagomata per contrastare la pressione di contatto stimata tra la guida stessa e il rispettivo pattino.

Scopo della presente invenzione Ã ̈ pertanto quello di realizzare un manovellismo per un compressore alternativo, in particolare ma non esclusivamente del tipo a doppio effetto, che consenta di ottenere una lubrificazione efficace ed uniforme delle superfici della testa a croce e delle relative guide di scorrimento, anche nelle condizioni di funzionamento piÃ¹ critiche per il compressore.

Un altro scopo dell'invenzione Ã ̈ poi quello di realizzare un manovellismo per un compressore alternativo in grado di ridurre al minimo la possibilitÃ che si verifichino danni ai componenti della macchina dovuti ad una lubrificazione inadeguata.

Ancora un altro scopo dell'invenzione Ã ̈ infine quello di realizzare un manovellismo per un compressore alternativo in cui sia possibile regolare la pressione dell'olio lubrificante in funzione delle condizioni di funzionamento del compressore.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un manovellismo per un compressore alternativo come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.

Le caratteristiche ed i vantaggi di un manovellismo per un compressore alternativo, principalmente ma non esclusivamente di tipo a doppio effetto, secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura la Ã ̈ una vista schematica in alzata laterale che mostra i componenti principali di un compressore alternativo del tipo a doppio effetto;

la figura lb Ã ̈ una vista schematica in alzata laterale che mostra i componenti principali di un compressore alternativo provvisto di due cilindri contrapposti del tipo a singolo effetto;

la figura 2 Ã ̈ un diagramma che mostra l'andamento, per un ciclo completo, delle componenti assiali delle forze generate dalla pressione del gas (all'interno del cilindro di un compressore alternativo) e delle forze assiali di inerzia delle parti in movimento;

la figura 3 Ã ̈ un diagramma che mostra l'andamento delle componenti normali (alla direzione di moto) delle forze generate dalla pressione del gas all'interno del cilindro di un compressore alternativo;

la figura 4 Ã ̈ una vista in prospettiva che mostra i componenti principali del manovellismo di un generico compressore alternativo;

le figure 5a e 5b mostrano, rispettivamente in vista dall'alto e in vista dal basso, i componenti del manovellismo di un compressore alternativo realizzato secondo la tecnica nota;

le figure 6a e 6b mostrano, rispettivamente in vista dall'alto e in vista dal basso, i componenti del manovellismo di un compressore alternativo in base ad un primo esempio di realizzazione della presente invenzione;

le figure la e 7b mostrano, rispettivamente in vista dall'alto e in vista dal basso, i componenti del manovellismo di un compressore alternativo in base ad un secondo esempio di realizzazione della presente invenzione;

le figure 8a e 8b mostrano, rispettivamente in vista dall'alto e in vista dal basso, i componenti del manovellismo di un compressore alternativo in base ad un terzo esempio di realizzazione della presente invenzione;

la figura 9 mostra uno schema di impianto per la circolazione dell'olio lubrificante in un compressore alternativo provvisto di un manovellismo realizzato secondo la presente invenzione.

Con riferimento in particolare alla figura la, vengono mostrati schematicamente gli elementi essenziali presenti all'interno di un generico compressore alternativo del tipo a doppio effetto.

Il compressore comprende un albero con almeno una manovella 10 collegato ad una biella 12, la quale trasferisce il moto rotatorio dell'albero, azionato da un generico motore elettrico oppure termico (non mostrato), ad una testa a croce 14 tramite uno spinotto 16. La testa a croce ha il compito di convertire il moto rotatorio in moto alterno, essendo costretta a muoversi all'interno di opportune guide 18 e 20 contrapposte che ne consentono il movimento nella stessa direzione della corsa del pistone 22. Un'asta 24 collega la testa a croce 14 al pistone 22. Il pistone, muovendosi all'interno del cilindro 26, Ã ̈ pertanto in grado di comprimere il gas.

Il gas da comprimere, ad una determinata pressione di aspirazione, viene introdotto all'interno del cilindro attraverso una o piÃ¹ valvole di aspirazione 28 e 30 e viene quindi compresso dal pistone affinchÃ© raggiunga un valore di pressione finale desiderato. Una volta che il gas ha raggiunto tale valore di pressione finale, viene espulso dal cilindro attraverso una o piÃ¹ valvole di scarico 32 e 34. In un cilindro del tipo a doppio effetto, come quello schematizzato in figura la, la compressione avviene all'interno di due camere distinte, vale a dire la camera 36 rivolta verso la testata del cilindro 26 e la camera 38 rivolta verso la testa a croce 14.

Con riferimento ora alla figura lb, vengono mostrati schematicamente gli elementi essenziali presenti all'interno di un generico compressore alternativo provvisto di due cilindri del tipo a singolo effetto, tra loro contrapposti. Ciascun cilindro 26A, 26B Ã ̈ provvisto di un relativo pistone 22A, 22B collegato, tramite la rispettiva asta 24A, 24B, alla testa a croce 14. Ciascun cilindro 26A, 26B Ã ̈ inoltre dotato di una rispettiva camera 36, 38 in cui la compressione del gas avviene in maniera del tutto analoga a quanto esposto con riferimento al compressore del tipo a doppio effetto.

Anche il meccanismo biella 12-manovella 10 e la testa a croce 14, in questa seconda tipologia di compressore illustrata in figura lb, sono realizzati sostanzialmente nella stessa maniera rispetto a quelli del compressore a doppio effetto illustrato in precedenza con riferimento alla figura la. Pertanto, si precisa che un manovellismo come quello realizzato secondo la presente invenzione potrÃ essere applicato indifferentemente ad entrambe le tipologie di compressori sopra esposte.

Indipendentemente dalla tipologia di compressore alternativo, quindi, la pressione del gas all'interno delle camere di compressione 36 e 38 genera una forza assiale, vale a dire parallela alla direzione di movimento del pistone 22, in corrispondenza di ciascuna estremitÃ del cilindro 26 e delle rispettive superfici corrispondenti del pistone che delimitano le due camere 36 e 38. In figura 2, con GAI Ã ̈ indicato l'andamento della componente assiale della forza generata all'interno della camera 36 rivolta verso la testata, mentre con GA2Ã ̈ indicato l'andamento della componente assiale della forza generata all'interno della camera 38 opposta. La forza assiale complessiva GA= (GAI GA2) indotta dal gas, combinata con la forza d'inerzia IAdelle masse degli elementi mobili di moto alternato, determina il carico assiale totale GA+ IAresistente trasferito dalla testa a croce 14 alla biella 12.

Similmente, in figura 3 vengono illustrate le componenti normali (indicate rispettivamente con GNI, GN2 e IN), vale a dire ortogonali alla direzione di movimento del pistone 22, che la biella, nel suo movimento rototraslatorio, trasferisce alla testa a croce (attraverso lo spinotto} per equilibrare dinamicamente le forze GAgenerate all'interno delle camere 36 e 38 del cilindro 26 e le forze di inerzia IA. Il carico normale totale GN+ INgrava quindi sui pattini di scorrimento contrapposti 40 e 42 della testa a croce 14 (figura 4), che si affacciano rispettivamente sulle guide 18 e 20.

Nel caso in cui la forza d'inerzia IAsia significativamente inferiore rispetto alla forza totale GAgenerata dal gas, ad esempio quando le velocitÃ angolari dell'albero sono significativamente basse, si verifica che il vettore della componente normale GN+ INdel carico ha un modulo dominante durante il ciclo di funzionamento del compressore, determinando un'inversione del carico trascurabile o nulla. Per "inversione del carico" si intende il passaggio da un carico di compressione ad un carico di trazione in corrispondenza dello spinotto 16 della testa a croce 14. Tale fenomeno consente all'olio lubrificante di fluire regolarmente tra i pattini di scorrimento 40 e 42 e le rispettive guide 18 e 20.

In base a quanto sopra esposto, uno dei due pattini di scorrimento 40 e 42 della testa a croce 14 Ã ̈ di norma sottoposto ad un carico normale maggiore rispetto all'altro durante il ciclo operativo del compressore. Tale condizione di carico non bilanciato tra i pattini determina un'abbassamento del massimo carico normale sopportabile (dovuto al limite del pattino sottoposto alla condizione piÃ¹ gravosa) e, di conseguenza, anche del massimo carico assiale totale GA+ IA, ossia delle prestazioni del compressore.

Quando le superfici dei pattini 40 e 42 scorrono rapidamente rispetto alle guide 18 e 20, l'olio lubrificante, alimentato attraverso opportuni fori d'ingresso 44, 46 praticati sulle pareti 18 e 20 stesse, ricopre tutte le superfici a contatto riempiendo gli spazi tra di esse. Soltanto quando le superfici dei componenti in movimento sono completamente separate da uno strato uniforme di lubrificante puÃ² avvenire infatti una corretta lubrificazione dal punto di vista idrodinamico e idrostatico, evitando il contatto metallico tra le superfici stesse.

Quando invece durante il moto alterno della testa a croce 14 si verificano condizioni di funzionamento a bassa velocitÃ e/o con carichi normali elevati, i pattini di scorrimento 40 e 42 distribuiscono, attraverso le rispettive scanalature superficiali 48 e 50 di cui sono provvisti (figure 5a e 5b), una quantitÃ di olio troppo bassa affinchÃ© si formi uno strato lubrificante sufficientemente spesso per il corretto funzionamento del manovellismo. In tali condizioni di funzionamento aumenta l'attrito tra i componenti, con conseguente generazione di calore che comporta un innalzamento della temperatura dell'olio lubrificante. Questo determina una riduzione della viscositÃ dell'olio e quindi della capacitÃ dell'olio stesso di distribuirsi il piÃ¹ possibile uniformemente sulle superfici a contatto. Nelle condizioni piÃ¹ critiche, le superfici possono anche arrivare al grippaggio.

Pertanto, secondo l'invenzione, a differenza di quanto avviene nella configurazione simmetrica secondo la tecnica nota, mostrata nelle figure 5a e 5b, uno dei due pattini di scorrimento 40 della testa a croce 14 Ã ̈ dotato di una superficie di contatto con le guide 18 e 20 avente forma e/o dimensioni differenti rispetto alla superficie di contatto del pattino di scorrimento 42 contrapposto.

PiÃ¹ precisamente, in base all'esempio di realizzazione mostrato nelle figure 6a e 6b, i due pattini di scorrimento 40 e 42 presentano ciascuno una superficie di contatto avente un'area differente l'una rispetto all'altra, con rispettive scanalature superficiali 48 e 50 di distribuzione dell'olio in uguale numero e con identica disposizione lungo la superficie di ciascun pattino 40 e 42.

In alternativa, in base all'esempio di realizzazione mostrato nelle figure 7a e 7b, i due pattini di scorrimento 40 e 42 presentano ciascuno una superficie avente la medesima area, con rispettive scanalature superficiali 48 e 50 di distribuzione dell'olio in uguale numero ma con disposizione diversa lungo la superficie di ciascun pattino 40 e 42.

Come ulteriore alternativa, con riferimento all'esempio di realizzazione mostrato nelle figure 8a e 8b, i due pattini di scorrimento 40 e 42 possono avere ciascuno una superficie di area uguale, con un numero differente di rispettive scanalature superficiali 48 e 50 di distribuzione dell'olio aventi la medesima disposizione lungo la superficie dÃ¬ ciascun pattino 40 e 42.

Le differenze dimensionali e/o di forma tra il pattino di scorrimento superiore 40 e quello inferiore 42 della testa a croce 14 comportano la generazione di carichi di sostentamento idrostatico e idrodinamico dell'olio in pressione differenti sulle rispettive superfici dei pattini 40 e 42 stessi, come mostrato nei diagrammi delle forze delle figure da 6a a 8b, cosÃ¬ da poter bilanciare le variazioni dei carichi esterni che gravano sul manovellismo del compressore.

In figura 9 viene infine mostrato un impianto in grado di inviare l'olio lubrificante attraverso i fori d'ingresso 44, 46 praticati sulle guide 18 e 20 della testa a croce 14. Come descritto in precedenza, l'olio va a formare uno strato lubrificante che sostiene i pattini di scorrimento 40 e 42 quando sottoposti alla componente normale GN+ INdelle forze totali generate sia dalla pressione del gas all'interno del cilindro 26 che dalla forza di inerzia delle parti in moto alterno.

L'impianto di lubrificazione comprende almeno un serbatoio 52 per l'olio, provvisto di un dispositivo riscaldatore 54 che mantiene la temperatura dell'olio stesso all'interno di un intervallo di temperature ottimale al fine di ottenere una corretta lubrificazione del compressore. A valle del contenitore 52 Ã ̈ prevista una pompa di mandata 56 per l'olio (provvista di relativa valvola di sicurezza), comandata da un motore elettrico 58 ed in grado di aumentare la pressione dell'olio stesso.

II valore massimo di pressione dell'olio viene regolato e limitato tramite una valvola 60 di controllo della pressione (valvola cosiddetta di tipo FC o "fail closed"). Il funzionamento della valvola 60 Ã ̈ gestito tramite un trasmettitore di pressione 62 e un dispositivo di controllo della pressione 64, cosÃ¬ da regolare la pressione dell'olio lubrificante in base all'entitÃ dei carichi normali che agiscono sul manovellismo del compressore.

La quantitÃ d'olio in eccesso, limitata dalla valvola 60, viene reintrodotta nel contenitore 52, mentre l'olio destinato alla lubrificazione attraversa un dispositivo di raffreddamento 66 ad acqua. Dopo il raffreddamento, l'olio viene inviato ad un filtro 68 affinchÃ© siano rimosse eventuali impuritÃ prima dell'ingresso, attraverso i fori 44 e 46, negli interstizi tra i pattini di scorrimento 40 e 42 e le rispettive guide 18 e 20. Il flusso di olio attraverso tali interstizi Ã ̈ continuo e l'olio in uscita viene recuperato e nuovamente inviato, attraverso un apposito condotto di ritorno, al contenitore 52.

Si Ã ̈ cosÃ¬ visto che il manovellismo per un compressore alternativo, principalmente ma non esclusivamente di tipo a doppio effetto, secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. In particolare, la specifica geometria dei pattini della testa a croce e dei relativi organi di supporto, nonchÃ© la possibilitÃ di regolare la pressione dell'olio lubrificante in ingresso nel compressore, permettono di evitare condizioni critiche di lubrificazione. Calcoli numerici effettuati con un apposito software di calcolo fluidodinamico hanno dimostrato che un'opportuna scelta delle caratteristiche dimensionali e di forma dei suddetti pattini di scorrimento della testa a croce permette di garantire uno spessore sufficiente dello strato di olio lubrificante per un ampio intervallo di condizioni di funzionamento della macchina.

Il manovellismo per un compressore alternativo della presente invenzione cosÃ¬ concepito Ã ̈ suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonchÃ© le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche. L'ambito di tutela dell'invenzione Ã ̈ pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Compressore alternativo provvisto di almeno un cilindro (26) comprendente almeno un manovellismo del tipo atto a vincolare un'asta (24, 24A, 24B) di un pistone (22, 22A, 22B) del compressore ad un albero a manovella (10), detto manovellismo comprendendo almeno una testa a croce (14), operativamente collegata a detto albero a manovella (10) tramite una biella (12) e a detta asta (24, 24A, 24B), mobile di moto alternato all'interno di almeno due guide (18, 20) contrapposte, detta testa a croce (14) essendo ulteriormente provvista di almeno due pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) che si affacciano rispettivamente su dette guide (18, 20), caratterizzato dal fatto che uno (40) di detti pattini di scorrimento Ã ̈ dotato di una superficie di contatto con dette guide (18, 20) avente forma e/o dimensioni differenti rispetto alla superficie di contatto del pattino di scorrimento (42) contrapposto.
2. Compressore alternativo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna superficie di contatto di detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) Ã ̈ provvista di una o piÃ¹ scanalature superficiali (48, 50) atte a distribuire un fluido lubrificante tra detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) e dette guide (18, 20).
3. Compressore alternativo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) presentano ciascuno una superficie di contatto avente un'area differente l'una rispetto all'altra, con rispettive scanalature superficiali (48, 50) in uguale numero e con identica disposizione lungo la superficie di contatto di ciascuno di detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42).
4. Compressore alternativo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) presentano ciascuno una superficie di contatto avente la medesima area, con rispettive scanalature superficiali (48, 50) in uguale numero e con disposizione diversa lungo la superficie di contatto di ciascuno di detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42).
5. Compressore alternativo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42) presentano ciascuno una superficie di contatto avente la medesima area, con rispettive scanalature superficiali (48, 50) in numero differente e con identica disposizione lungo la superficie di contatto di ciascuno di detti pattini di scorrimento contrapposti (40, 42).
6. Compressore alternativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che detto almeno un cilindro (26) Ã ̈ del tipo a doppio effetto .
7. Compressore alternativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due cilindri (26A, 26B) del tipo a singolo effetto.