ITMI20091513A1 - Compressore/espansore a palette con testa ad elementi rotanti - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ai sistemi di compressione di fluidi puri e non (gassosi o liquidi o miscele liquido-vapore) di seguito indicati genericamente come “fluidi di lavoro” realizzati con compressori/espansori volumetrici rotativi a palette.

Come è noto, gli compressori/espansori volumetrici rotativi a palette realizzano il processo di compressione dei fluidi di lavoro secondo il seguente principio. La macchina è composta da un rotore dotato di fessure (radiali e non), all'interno delle quali sono alloggiate delle palette che durante la rotazione, a causa della forza centrifuga, fuoriescono da dette fessure'e strisciano sulla superficie interna di uno statore. Lo stesso strisciamento è realizzato sulle superfici laterali delle palette in contatto con i coperchi dello statore.

Lo statore ed il rotore, usualmente, sono caratterizzati da sezione circolare ma quest'ultima può assumere qualsiasi altra forma (ellittica, a lobi, etc...) al fine di ottenere caratteristiche specifiche.

Le palette fuoriuscite dal rotore, la superfìcie interna dello statore e le superfici del rotore stesso realizzano durante la rotazione variazioni progressive di volume.

Tali variazioni provocano la pressurizzazione del fluido di lavoro, il quale riempie preliminarmente i vani palari attraverso una o più luci di aspirazione di varia geometria (radiale, assiale o mista).

L'affidabilità in esercizio di un compressore/espansore a palette è dovuta alla continua iniezione di olio all’interno dei vani di compressione che avviene tramite ugelli.

L'olio circola all’interno della macchina a causa della differenza di pressione naturale che si instaura tra la camera all'interno del vano dove detto olio viene iniettato e la camera dove detto olio viene scaricato insieme al fluido di lavoro.

L'utilizzo dell'olio all'interno dei vani di compressione è finalizzato, in primo luogo, alla formazione di un film sulle superfici di contatto tra statore e apice delle pale rotoriche (nonché tra i coperchi dello statore e superfìcie laterale delle palette) che permette di ottenere un basso coefficiente di attrito. In tal modo viene contenuta l’usura delle palette e della superficie dello statore e viene diminuita la potenza dissipata per attrito

Il film dì olio permette, inoltre, di contenere il fluido di lavoro all’interno del vano, minimizzando le fughe di detto fluido e dei ricircoli interni, aumentando, in tal modo, il rendimento volumetrico.

L'utilizzo dell' olio all'interno dei vani di compressione è finalizzato, inoltre, al raffreddamento del fluido di lavoro durante il processo di compressione. Tale fenomeno di raffredamento avviene sia a causa della vaporizzazione dello spray di olio realizzato dagli ugelli iniettori sia a causa del contatto convettivo forzato tra l’olio e le superfici interne del vano palare. Il raffreddamento del fluido consente di diminuire il lavoro di compressione avvicinando la trasformazione di compressione ad una isoterma.

L’olio iniettato viene scaricato con il fluido di lavoro attraverso la luce di mandata e dopo essere stato opportunamente separato da detto fluido di lavoro, trovandosi alla stessa pressione di detto fluido di lavoro, può essere reimmesso spontaneamente all’interno dei vani palari tramite opportuno circuito.

La separazione dell’olio dal fluido di lavoro, per quanto possa avvenire in maniera efficace, non potrà mai essere completa. Nel fluido di lavoro compresso inviato alla fase di utilizzo (circuito di mandata) saranno, quindi, sempre presenti piccole quantità di olio che spesso sono utili per la corretta operatività degli strumenti utilizzatori a valle.

Esistono, però, delle applicazioni speciali come, ad esempio quelle del settore alimentare e medicale, dove la presenza di olio anche in minime quantità non può essere tollerata.

Nelle applicazioni sopracitate, non è tollerabile la presenza neppure di minime quantità di olio, a causa di esigenze legate ai rischi di contaminazione.

Per tali applicazioni, la compressione del fluido di lavoro deve avvenire necessariamente in assenza di olio (oil-free). Ciò implica notevoli svantaggi facilmente desumibili. Tra questi, sono di particolare importanza i seguenti problemi: l’usura tra le superfici dei componenti in mutuo contatto, l’elevate potenze di attrito che si generano e che producono sovrariscaldamenti locali con conseguenti danneggiamenti, le fughe di fluido di lavoro ed i bassi valori di rendimento volumetrico della macchina.

Oltre ai problemi sopracitati che si riscontrano in applicazioni che devono avvenire in assenza di olio, vi sono ulteriori problematiche che si verificano comunque, anche in presenza di olio iniettato.

In particolare, anche in presenza di olio, non sono possibili elevate velocità di rotazione in quanto all'aumentare delle stesse aumenta la forza centrifuga e, di conseguenza, aumentano le forze di contatto tra l’apice della paletta e lo statore fino al punto di distruggere il film di olio presente e di vanificarne l’effetto lubrificante.

Le limitazioni delle velocità di rotazione del rotore comportano, inoltre, limitazioni sulle portate volumetriche di fluido di lavoro erogate. Nel brevetto N° MI2008A000464, dal titolo "Compressore/espansore volumetrico a palette ad anello rotante", depositato a nome di Ing. Enea Mattei S.p.A., è descritto un dispositivo che grazie ad un nuovo principio di funzionamento, è in grado di evitare il contatto tra l’apice delle pale e la superficie interna dello statore. In particolare, nell'compressore/espansore volumetrico a palette descritto nel brevetto sopracitato, la fuoriuscita delle pale per forza centrifuga consente il contatto dell’apice delle pale con la ralla interna di un cuscinetto solidale allo statore. Attraverso la rotazione della ralla è possibile realizzare un'assenza di strisciamento. Tale assenza di strisciamento non è, però, totale, poiché, a causa deH’eccentricità geometrica dell'compressore/espansore una residua differenza di velocità relativa di strisciamento rimane presente.

A seguito di studi approfonditi ed ulteriori sperimentazioni è stato possibile identificare delle soluzioni innovative in grado di ridurre ulteriormente questa componente residua di strisciamento, grazie all'utilizzo di un nuovo principio di contatto tra l’apice della pala e lo statore.

Scopo della presente invenzione è, quindi, quello di eliminare quasi completamente la componente residua di strisciamento.

L'compressore/espansore volumetrico oggetto della presente invenzione, sfrutta un nuovo principio di funzionamento che trasforma il contatto strisciante tra l’apice delle pale e la superficie interna dello statore in un' azione di puro rotolamento grazie ad un dispositivo volvente posto sulla testa della paletta.

L'azione di puro rotolamento viene ottenuta grazie all'alloggiamento sulla testa delle palette di cuscinetti volventi, che possono essere di qualsiasi tipologia, con la ralla interna incernierata su opportune sedi (spine) ricavate sulla paletta e con la ralla esterna lasciata libera di ruotare.

I cuscinetti possono essere sostituiti con corpi rotolanti ad esempio, sfere, rullini, bronzine e bussole oil-free etc., in grado di esercitare la funzione di trasformazione del moto di strisciamento in moto di rotolamento.

Sullo statore sono ricavate opportune sedi per l’alloggiamento di bussole caratterizzate dalla presenza di piste di rotolamento, per i cuscinetti, a basso coefficiente di attrito.

Tali piste di rotolamento possono anche non essere presenti se il materiale dei corpi rotolanti sulle palette è tale da consentire un contatto diretto con il materiale costituente la superficie interna dello statore.

I corpi rotolanti, che in virtù di quanto descritto sopra, sono in contatto con lo statore, possono essere in contatto con la ralla interna di un cuscinetto, di qualsiasi tipo, la cui ralla esterna sia solidale allo statore. Ciò per consentire elevatissime velocità di rotazione del rotore limitando le velocità di rotazione dei corpi rotolanti siti all’apice delle palette.

II rotore, nel suo moto di rotazione, per effetto della forza centrifuga, favorisce l’uscita delle palette sugli apici delle quali sono posti i dispositivi di rotolamento. Detti dispositivi rotolano, quindi, sulla superficie interna dello statore o di un anello alloggiato su di esso mediante delle bussole, o di una ralla interna di un cuscinetto.

A causa dell'assenza di olio, al fine di garantire la tenuta tra i vani, nello statore o nei coperchi deH'compressore/espansore stesso può essere integrata una valvola di non-ritorno in mandata oppure una valvola on-off in aspirazione.

L'azionamento di detta valvola può essere di tipo pneumatico (in compressione o per mezzo di una depressione da vuoto), di tipo oleodinamico o idrodinamico mediante l'utilizzo dei circuiti di fluidi già esistenti, di tipo elettromagnetico o ancora di tipo meccanico mediante l'utilizzo di opportuni mezzi che aprono e chiudono detta valvola.

Queste ed ulteriori caratteristiche del presente trovato saranno rese più chiare dalla lettura della descrizione dettagliata che segue, relativa a due modi preferito di realizzare la presente invenzione da considerarsi a titolo esemplificativo e non limitativo dei più generali concetti rivendicati.

La descrizione che segue fa riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la figura 1 è un esploso dell'compressore/espansore a palette che ruotano senza strisciare su piste di rotolamento (anelli) ricavate sullo statore

- la figura 2 è una rappresentazione del particolare del rotore secondo una prima realizzazione della presente invenzione

- la figura 3 è una rappresentazione vista in prospettiva del particolare della paletta con cuscinetti incernierati

- la figura 4 è una rappresentazione del particolare dei cuscinetti sulla testa della paletta deH'compressore/espansore

- la figura 5 è una rappresentazione del particolare dello statore dell 'compressore/espansore.

- la figura 6 è una vista laterale del particolare dell'accoppiamento cuscinetto-statore.

- la figura 7 è una rappresentazione del particolare del rotore secondo una seconda realizzazione del particolare del rotore.

Facendo riferimento alle figura 1, 2, 3 4, 5 l'compressore/espansore volumetrico a palette, oggetto della presente invenzione è caratterizzato da un rotore (1), dotato di fessure radiali (2), all' interno delle quali sono alloggiate delle palette (3) che durante la rotazione, a causa della forza centrifuga fuoriescono da dette fessure (2).

Il moto delle palette viene trasmesso a due cuscinetti volventi (4) posti sugli apici di dette palette (3) che rotolano senza strisciare su degli anelli (5) ricavati sullo statore (6).

Facendo riferimento alla figura 6, il posizionamento di detti cuscinetti volventi (4) è tale da evitare il contatto tra detti anelli di rotolamento (5) e le teste (7) di dette palette.

In figura 7 è mostrato il particolare del rotore secondo una realizzazione alternativa della presente invenzione. In tale seconda realizzazione le fessure del rotore (2') in cui vengono alloggiate dette palette non convergono verso il centro del rotore e sono, quindi, inclinate rispetto a detto centro del rotore.

Grazie a tale invenzione, si riducono sensibilmente i problemi relativi al contatto tra superfici in moto relativo (usura, danneggiamenti superficiali, sovrariscaldamenti, ecc...).

Inoltre, nella situazione di funzionamento sopra descritta, la paletta non è in grado di fuoriuscire ulteriormente rispetto alla posizione garantita dal contatto che si realizza tra cuscinetto posto sulla testa della stessa e l’anello sullo statore o nel caso in cui sia assente la pista direttamente sulla superficie dello statore stesso. In tal modo, è possibile limitare con precisione il gioco tra l’apice della pala e la superficie interna dello statore limitando, così, le fughe di fluido di lavoro tra i vani, aumentando di conseguenza il rendimento volumetrico.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Compressore/espansore volumetrico a palette operante con qualsiasi fluido in qualsiasi condizione termodinamica,- comprendente almeno uno statore ed almeno un rotore caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un cuscinetto volvente o altro dispositivo equivalente posto sulla testa di ciascuna paletta, detto cuscinetto volvente o altro dispositivo equivalente essendo in grado di compiere un moto di rotolamento senza strisciamento.
2. 2. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la ralla interna di detto cuscinetto volvente o dì altro dispositivo rotolante<">equivalente è incernierata su oppurtune sedi ricavate sulla paletta.
3. 3. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la ralla esterna di detto cuscinetto volvente o di altro dispositivo rotolante equivalente è lasciata lìbera di ruotare.
4. 4. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo la rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che detto rotore è dotato di fessure radiali per l'alloggiamento di dette palette.
5. 5. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo la rivendicazione 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che detto rotore è dotato di fessure inclinate rispetto al centro del rotore per l'alloggiamento di dette palette.
6. 6. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che su detto statore sono ricavate opportune sedi per ('alloggiamento di piste di rotolamento per detti cuscinetti volventi o detti dispositivi rotolanti equivalenti.
7. 7. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto di comprendere cuscinetti volventi o dispositivi rotolanti equivalenti costituiti da un materiale a basso coefficiente d'attrito tale da poter essere messo in contatto diretto con il materiale della superficie interna dello statore.
8. 8. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che detto statore può essere dotato di almeno un cuscinetto la cui ralla esterna è solidale con detto statore e la cui ralla interna è in contatto con detti cuscinetti o detti dispositivi rotolanti equivalenti posti sulla testa delle palette.
9. 9. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che in detto statore è integrata una valvola di non ritorno in mandata azionata mediante mezzi noti.
10. 10. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che in detto statore è integrata una valvola on/off in aspirazione azionata mediante mezzi noti.
11. 11. Compressore/espansore volumetrico a palette secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che nei coperchi di detto compressore/espansore è integrata una valvola di non ritorno in mandata azionata mediante mezzi noti.
12. 12. Compressore/espansore volumetrico a secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 caratterizzato dal fatto che nei coperchi di detto compressore/espansore è integrata una valvola on-off in aspirazione azionata mediante mezzi noti.