ITMI981557A1 - Metodo per la realizzazione di giranti per turbine idraulichi - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione che ha per titolo:

"Metodo per la realizzazione di giranti per turbine idrauliche

La presente invenzione si riferisce ad un metodo per la realizzazione di giranti per turbine idrauliche, in particolare del tipo Pelton, dotate di pale periferiche.

Le giranti per turbine Pelton comprendono un disco metallico, che definisce un mozzo, su cui sono collegate delle pale periferiche conformate “a doppio cucchiaio", atte ad opporre una conveniente resistenza al getto di un fluido che le colpisce.

Per realizzare tali giranti è prassi comune utilizzare un processo di fusione che permetta di ottenere, al termine del raffreddamento, disco e pale in un unico pezzo. Successivamente a tale fase, le giranti subiscono alcune lavorazioni di finitura e vengono sottoposte a controlli, al fine di verificarne le caratteristiche meccaniche.

Ma la fusione di pezzi a geometria complessa, quali appunto le pale delle giranti, presenta molteplici inconvenienti che si verificano a causa del ritiro non omogeneo del materiale a seguito della colata, delle tensioni interne dovute alla conformazione dello stampo e del raffreddamento differente subito dalle diverse pareti che costituiscono tali pezzi.

In particolare, possono verificarsi cricche o discontinuità nella struttura che comportano, in molti casi, l'esigenza di rilavorare il materiale per eliminare i difetti di fusione. Questa fase di rilavorazione per eliminare i difetti è molto onerosa e rende difficile stimare esattamente i tempi di consegna della girante finita.

Ancora, le giranti ottenute per fusione presentano generalmente una notevole quantità di difetti "sottopelle" che determina una minor affidabilità e la necessità di effettuare frequenti riparazioni nel corso della vita utile della girante stessa.

Inoltre, la ampia variabilità delle fasi di formatura, colata e raffreddamento del processo di fusione non consente di ottenere, nel pezzo finito, l’esatta geometria delle pale definita durante la fase di progettazione.

Un metodo alternativo impiegato per la produzione di giranti per turbine idrauliche consiste nel realizzare separatamente disco e pale, o parti di pala, mediante fusione e successive lavorazioni meccaniche. Le pale, in particolare, possono eventualmente essere prodotte assemblando tra loro, mediante saldatura, parti con geometria meno complessa.

Ogni girante è infine completata riportando le pale in corrispondenza del bordo periferico del disco per mezzo di operazioni di saldatura.

Secondo un altro metodo le pale possono essere costruite su un disco di partenza, direttamente per deposizione di materiale.

Tali metodi, che presentano i vantaggi di ottenere pale con geometria ben precisa e la possibilità di utilizzare materiali differenti per disco e pale, conduce però alla realizzazione di giranti poco affidabili, a causa delle difettosità delle saldature stesse e della scarsa controllabilità della girante in corrispondenza delle zone saldate.

E’ uno scopo della presente invenzione fornire un metodo per la produzione di giranti per turbine idrauliche che risolva i succitati problemi.

Un altro scopo della presente invenzione è realizzare un metodo per la produzione di giranti che riduca il numero di pezzi di scarto e la necessità di effettuare lavorazioni volte alla eliminazione di difetti di fusione.

E' un ulteriore scopo della presente invenzione proporre un metodo che consenta di realizzare giranti dotate di pale a geometria ben definita e precisamente controllabile.

Ancora, è uno scopo della presente invenzione produrre giranti sostanzialmente prive di difetti, che garantiscano una maggior sicurezza di impianto e una più lunga durata del periodo di funzionamento.

Tali scopi vengono conseguiti, dalla presente invenzione, che concerne un metodo per la realizzazione di giranti per turbine idrauliche, come rivendicato nella rivendicazione 1 .

Il metodo di produzione di giranti per turbine idrauliche, secondo l’invenzione, comprende le fasi di determinazione della geometria delle pale, di fucinatura di un disco avente dimensioni superiori, o al limite uguali, a quelle della girante che si vuole ottenere, e di realizzazione delle pale, in accordo alla geometria predefinita, mediante lavorazione meccanica per asportazione di truciolo del disco stesso.

Il disco ottenuto dalla fucinatura risulta pressoché privo di difetti strutturali, a causa dell’affinamento del grano e al sostanziale annullamento dei difetti del materiale che la stessa operazione di fucinatura comporta.

Inoltre, la successiva fase di realizzazione delle pale, ricavate di pezzo nel disco fucinato mediante lavorazioni per asportazione di truciolo.

permette di ottenere pale che abbiano una precisa geometria definita in fase di progettazione.

Secondo un aspetto peculiare della presente invenzione, tali lavorazioni per asportazione di truciolo comprendono operazioni di fresatura, eseguite, in sequenza, per realizzare dapprima il profilo esterno delle pale e per ricavarne successivamente il profilo interno.

Secondo un altro aspetto della presente invenzione le suddette operazioni di fresatura vengono eseguite mediante macchine utensili a controllo numerico continuo (CNC).

Secondo un ulteriore aspetto della presente invenzione sono previsti controlli non distruttivi e/o prove meccaniche su campioni ricavati dal disco fucinato prima e/o durante le lavorazioni per asportazione di truciolo.

In particolare, grazie al metodo di realizzazione di giranti per turbine Pelton secondo la presente invenzione, è possibile effettuare controlli non distruttivi ad ultrasuoni (NDT) sul disco fucinato, e opportunamente sgrossato, che garantiscono la elevata qualità finale della girante.

Un aspetto preferenziale dell’invenzione verrà descritto, a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 è uno schema sintetico del metodo secondo l’invenzione;

la figura 2 è uno schema completo del metodo secondo un aspetto preferenziale dell’invenzione.

Con riferimento alla figura 1, il metodo per la realizzazione di giranti, secondo la presente invenzione, comprende una prima fase di progettazione della girante sulla base delle specifiche tecniche richieste dal cliente. In particolare, durante questa fase si determina la geometria desiderata delle pale, ovvero il loro profilo e le loro dimensioni.

In una successiva fase, si realizza per fucinatura un disco che presenta diametro e spessore maggiori o uguali rispetto a diametro e spessore della girante da ottenere.

Una ulteriore fase prevede di ricavare nel disco fucinato, in corrispondenza del bordo, le pale periferiche mediante lavorazioni per asportazione di truciolo.

Tra la fase di fucinatura del disco e la fase di realizzazione delle pale mediante lavorazioni per asportazione di truciolo, è auspicabile interporre una fase di controlli non distruttivi ad ultrasuoni che interessano l’intero disco fucinato. Tale fase di controlli non distruttivi deve essere preceduta da una sgrossatura del disco, atta a portare la superficie del disco alle condizioni più opportune per effettuare gli stessi controlli.

Secondo un aspetto peculiare della presente invenzione, con riferimento alla figura 2, il metodo per la produzione di una girante per turbine idrauliche prevede in particolare che nel corso della prima fase di progettazione, preferibilmente compiuta con l'ausilio di strumenti informatici quali sistemi CAD/CAM, si definisca matematicamente la geometria desiderata delle pale e si realizzi un programma di lavorazione (software) per macchine utensili automatiche a controllo numerico continuo (CNC), che contenga tutte le informazioni necessarie per ricavare la geometria desiderata dai dischi di partenza.

Il disco di partenza è vantaggiosamente realizzato, per fucinatura e successiva bonifica, a partire da acciaio inossidabile, quale X5 Cr Ni 13 A valle della fase di fucinatura è prevista la sgrossatura del disco, effettuata mediante tornitura, per raggiungere la rugosità superficiale prevista, Ra 1 ,6 ottimale per eseguire controlli ad ultrasuoni.

Al termine della sgrossatura, è opportuno procedere a controlli non distruttivi del disco, mediante ultrasuoni, e a prove meccaniche, di trazione e resilienza, effettuate su provini ricavati dal disco stesso. Tali controlli e prove meccaniche consentono di individuare eventuali dischi difettosi prima di iniziare le successive lavorazioni per asportazione di truciolo.

Di seguito a tale fase, è prevista la tornitura del profilo esterno della girante e la realizzazione delle pale, mediante fresatura del disco forgiato.

In particolare, la fresatura del disco è effettuata automaticamente con una macchina utensile a controllo numerico continuo (CNC) che viene governata per mezzo del suddetto programma di lavorazione. Di preferenza, tale fresatura realizza dapprima, a misura, il profilo esterno delle pale, e successivamente il profilo interno delle stesse, su cui viene lasciato un sovrametallo di spessore inferiore ad 1 mm.

In seguito alla realizzazione delle pale vengono svolte lavorazioni di finitura, quali molatura e lucidatura, seguite da ulteriori controlli non distruttivi.

Quindi, sono eseguite le operazioni di tornitura finale dei diametri, alesatura dei fori ed equilibratura della girante che consentono di giungere al prodotto finito.

Prima della consegna al cliente, comunque, vengono ancora compiuti controlli di accettazione miranti a verificare il rispetto dimensionale del manufatto rispetto alle specifiche di progetto.

Le giranti prodotte secondo il metodo descritto hanno la caratteristica di essere sostanzialmente prive di difetti poiché la fucinatura di un pezzo simmetrico e con geometria semplice conduce raramente ad imperfezioni del pezzo finito ed i controlli non distruttivi iniziali garantiscono la qualità finale del manufatto. Inoltre, tali giranti hanno anche l'importante caratteristica di essere dotate di pale aventi la geometria desiderata, grazie alla precisa lavorazione di fresatura. Ciò comporta una maggiore affidabilità ed efficienza delle giranti prodotte secondo tale metodo, ed un rispetto più rigoroso del profilo idraulico teorico.

Il metodo della presente invenzione consente, inoltre, di ridurre i costi connessi alla eliminazione dei difetti presenti sul pezzo finito e di aumentare la durata di funzionamento delle giranti, prima che sia necessario effettuare una riparazione. Tali riparazioni, infine, risulteranno comunque meno costose, perché eseguite su un materiale di base privo di difetti e simmetrico.

Claims (11)

1. Rivendicazioni 1. Metodo per la realizzazione di giranti per turbine idrauliche, in particolare del tipo Pelton, dotate di pale periferiche, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi: - determinare la geometria del profilo delle pale; - forgiare (fucinare) un disco metallico avente dimensioni superiori o uguali alla girante da realizzare, compresa di pale; - ricavare di pezzo da detto disco fucinato, mediante lavorazioni per asportazione di truciolo, dette pale in accordo alla geometria precedentemente determinata.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette lavorazioni per asportazione di truciolo comprendono una o più operazioni di fresatura per la realizzazione di dette pale.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fresatura è effettuata mediante macchine a controllo numerico continuo.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che dette una o più operazioni di fresatura interessano in sequenza: - il profilo esterno di dette pale; - il profilo interno di dette pale.
5. 5. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dopo detta fase di forgiatura di detto disco metallico sono eseguiti controlli non distruttivi e/o prove meccaniche su detto disco e/o su provini da esso ricavati, prima e/o durante detta fase per ricavare di pezzo dette pale da detto disco fucinato.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detti controlli non distruttivi sono ad ultrasuoni.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti controlli non distruttivi ad ultrasuoni sono eseguiti prima di detta fase per realizzare di pezzo dette pale da detto disco fucinato e dopo aver sgrossato detto disco fucinato.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 5, 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detti controlli non distruttivi interessano l’intero disco fucinato.
9. 9. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase per ricavare di pezzo dette pale, comprende le seguenti sottofasi: - sgrossare, per tornitura, detto disco fucinato; - tornire il profilo esterno di detto disco; - fresare il profilo esterno di dette pale; - fresare il profilo interno di dette pale.
10. 10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto disco viene forgiato con un foro centrale.
11. 11. Girante per turbine idrauliche, in particolare per turbine Pelton, dotata di pale periferiche caratterizzata dal fatto che dette pale sono ricavate di pezzo su detto disco.