ITUB20154720A1

ITUB20154720A1 - Metodo di produzione di giranti chiuse per turbomacchine tramite fusione a cera persa

Info

Publication number: ITUB20154720A1
Application number: ITUB2015A004720A
Authority: IT
Inventors: Stefano S Costantino; Andrea Bagattini
Original assignee: Nuovo Pignone Tecnologie Srl
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2017-04-20

Description

"METODO DI PRODUZIONE DI GIRANTI CHIUSE PER TURBOMACCHINE TRAMITE FUSIONE A CERA PERSA"

Descrizione

Campo tecnico

La descrizione riguarda metodi per la produzione di giranti di turbo macchine. Forme di realizzazione qui descritte riguardano specificamente metodi per la produzione di giranti chiuse.

Arte anteriore

Turbo macchine vengono usate comunemente in diversi campi industriali. Turbomacchine centrifughe o miste comprendono una o più giranti ruotanti montate per ruotare in una cassa. Una girante di turbo macchina comprende usualmente un mozzo o disco ed una pluralità di pale che si sviluppano da una radice di pala sul disco fino ad una punta di pala. Canali di flusso sono formati fra ciascuna coppia di pale adiacenti, cioè contigue. Alcune giranti comprendono, inoltre, un controdisco, disposto coassialmente al disco. Le pale sono disposte fra disco e controdisco. Ciascun canale di flusso è definito in questo caso fra ciascuna coppia di pale vicine, la superficie del disco e la superficie interna del controdisco.

Giranti chiuse sono usate in molte turbomacchine, quali ad esempio turboespantori, turbine centripete, compressori centrifughi e pompe centrifughe.

L'efficienza della turbomacchina dipende pesantemente dalla geometria delle pale. Queste ultime sono spesso di forma tridimensionale piuttosto complessa. L'efficienza di giranti chiuse è usualmente superiore a quella delle giranti aventi canali di flusso aperti. D'altro canto, giranti chiuse sono più complesse da produrre.

Secondo alcuni metodi noti di produzione, due porzioni di giranti vengono prodotte separatamente e successivamente saldate insieme. Una prima porzione di girante, comprendente il disco e le pale, viene prodotta per esportazione di truciolo da un pezzo unico. Un controdisco viene prodotto separatamente e successivamente saldato alle punte delle pale. Questo processo di produzione è complesso e costo. La saldatura del controdisco alle pale è una fase critica del processo di produzione, poiché la girante può avere una forma complessa, tale che l'interno dei canali di flusso, dove deve essere eseguita la saldatura, è difficile da accedere. Questo processo di saldatura produce ritiri, che sono molto difficili da prevedere in un processo manuale. Studi basati sull’ analisi agli elementi finiti sono costosi e richiedono molto tempo e non sarebbero idonei per la progettazione di giranti che sono prodotte soltanto in numero molto limitato. Inoltre, la saldatura richiede personale particolarmente esperto e deve essere sottoposta a una verifica di qualità. I cordoni di saldatura, inoltre, richiedono di essere lucidati per migliorare la levigatezza dei canali di flusso.

EP- A- 1396309 descrive un metodo per produrre una girante chiusa per compressori centrifughi a partire da un disco monolitico tramite fresatura.

Secondo altri metodi noti, la girante è generata tramite lavorazione EDM (lavorazione per elettroerosione). La girante chiusa viene prodotta partendo da un disco monolitico usando una serie di elettrodi di scarica di forme differenti. La EDM è idonea per la produzione di giranti di forma semplice.

In alcuni settori tecnologici, giranti per turbomacchine centrifughe e centripete sono prodotte per fusione a cera persa. Tipiche giranti prodotte per fusione a cera persa sono usate in sovralimentatori per l'industria automobilistica. La fusione a cera persa è idonea per la produzione di massa, cioè per la produzione di un grande numero di articoli che sono tutti identici l’uno all altro, poiché sono richiesti investimenti iniziali elevati. In molti settori industriali, tuttavia, quale l'industria petrolifera, sono usate spesso turbomacchine personalizzate e viene prodotto un numero relativamente limitato di macchine identiche tra loro. La fusione a cera persa non è pertanto idonea alla produzione di giranti di turbomacchine per questo tipo di macchinario.

Esiste pertanto la necessità di realizzare un metodo di produzione più efficiente di giranti di turbomacchine, che sia conveniente anche per la produzione di un piccolo numero di giranti tra loro uguali.

Sommario dell'invenzione

Il metodo qui descritto comprende una fase di produzione di una prima porzione di un modello che fonde a bassa temperatura, ad esempio realizzato in cera, della girante tramite un processo di asportazione di truciolo od un processo di prototipizzazione rapida, ed una fase di produzione di una seconda porzione di un modello che fonde a bassa temperatura della girante, tramite un metodo di lavorazione di asportazione di truciolo od un processo di proto tipizzazione rapida. Allo scopo di rendere il metodo idoneo alla produzione di un numero anche limitato di giranti di forma identica, evitando il costo di produzione di uno stampo per la realizzazione di modelli che fondono a bassa temperatura, ciascuna delle dette prima porzione e seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura sono realizzate partendo da un rispettivo blocco di materiale fondente a bassa temperatura e lavorando il blocco per ottenere la prima porzione e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura. Alternativamente, la prima porzione e la seconda porzione sono prodotte tramite un metodo di manifattura addi ti va od un metodo di stampa 3D, od altro metodo o processo di prototipizzazione rapida. In alcune forme di realizzazione, differenti metodi di produzione possono essere usati per produrre rispettivamente la prima porzione e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura. In generale, secondo forme di realizzazione qui descritte, la prima porzione e la seconda porzione possono essere prodotte per mezzo di un qualunque processo di produzione che utilizza una macchina di produzione sotto il controllo di un computer, sulla base di dati che rappresentano un modello 3D della girante.

In generale, la prima porzione e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura sono prodotte sulla base di un modello tridimensionale della girante, il quale modello tridimensionale può essere in forma di un file di dati, che possono essere usati da una macchina di produzione a controllo numerico.

Una volta che sono state ottenute la prima porzione e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura, esse vengono unite l'una all'altra formando un modello che fonde a bassa temperatura della girante, comprensivo di un disco, un controdisco ed una pluralità di pale disposte fra il disco ed il controdisco.

Successivamente, attorno al modello che fonde a bassa temperatura della girante può essere formato uno stampo ceramico, e successivamente viene effettuata una fase di rimozione del modello che fonde a bassa temperatura dallo stampo ceramico tramite fusione del modello. Il metallo fuso viene poi gettato nello stampo ceramico e viene fatto solidificare prima di rimuovere lo stampo ceramico.

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: la

Fig.l illustra una vista isometrica di una prima porzione di un modello che fonde a bassa temperatura di una girante di compressore centrifugo; la

Fig.2 illustra una vista dal basso della prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.l; la

Fig.3 illustra una vista dall'altro della prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.l; la

Fig.4 illustra una vista laterale della prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.l; la

Fig.5 illustra una vista isometrica dal basso della prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.l; la

Fig.6 illustra una vista isometrica di una seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura della girante di compressore centrifugo; la

Fig.7 illustra una vista isometrica dal bassa della seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.6; la

Fig.8 illustra una vista dall'alto della seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.6; la

Fig.9 illustra una vista laterale del modello che fonde a bassa temperatura formato dalla prima e dalla seconda porzione unite tra loro; la

Fig.10 illustra una vista schematica del modello che fonde a bassa temperatura della Fig.9, circondato da uno stampo ceramico; la

Fig.ll è un diagramma di flusso che mostra le fasi principali del metodo secondo la presente descrizione.

Descrizione dettagliata di una forma di attuazione delfinvenzione

La descrizione dettagliata che segue di forme di realizzazione esemplificative fa riferimento 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. Al contrario, l’ambito dell’invenzione è definito dalle rivendicazioni allegate.

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.

Secondo il metodo qui descritto, una girante di turbo macchina viene realizzata partendo da un suo modello prodotto con un materiale che fonde a bassa temperatura. Il materiale che fonde a bassa temperatura può essere cera, o qualunque altro materiale, comunemente usato per la produzione di cosiddetti modelli in cera in processi a cera persa. Qui di seguito verrà fatto specificamente riferimento modelli in "cera", ma si deve comprendere che qualunque altro materiale può essere usato per produrre il modello inziale che fonde a bassa temperatura, da cui viene formato il modello ceramico, in cui infine viene gettato il metallo per produrre l'effettiva girante di turbomacchina.

Secondo un primo aspetto del metodo qui descritto, viene inizialmente prodotto un modello tridimensionale (modello 3D) della girante, ad esempio per mezzo di un programma CAD (computer aided design). Il modello 3D è in forma di un set di dati numerici che rappresentano le coordinate dei punti su una superficie della girante, i quali dati possono essere usati da un programma eseguibile a computer per controllare una macchina di produzione, per produrre un modello in cera, cioè in termini più generali un modello prodotto da un materiale che fonde a bassa temperatura, della girante effettiva.

Il modello 3D può essere usato per controllare qualunque macchina di produzione o dispositivo di produzione idoneo, che può produrre il modello in cera. Secondo alcune forme di realizzazione qui descritte, il modello 3D può essere usato come un ingresso di dati per una macchina di prototipizzazione rapida. La macchina di proto tipizzazione rapida può essere una macchina di stampa 3D, od una macchina di manifattura additi va, ad esempio una macchina per stereolitografia. La macchina di prototipizzazione rapida comprende generalmente un sistema ad elaboratore elettronico ed un aggregato di produzione il quale, sotto il controllo del sistema ad elaboratore elettronico e usando l'informazione contenuta nel modello 3D della girante, produce il modello in cera tramite manifattura additiva. Tali macchine sono note nell'arte e non richiedono ulteriore descrizione.

Secondo altre forme di realizzazione qui descritte, il modello 3D può essere usato come ingresso di dati per un processo di lavorazione eseguito da una macchina utensile. La macchina utensile genera il modello in cera tramite fresatura, cioè tramite un processo a asportazione di truciolo, partendo da un blocco di materiale.

Indipendentemente dal tipo di processo selezionato per produrre il modello in cera partendo dal modello 3D della girante, secondo il metodo qui descritto due separate porzioni del modello in cera vengono prodotte e successivamente unite l'una all'altra. Una prima porzione del modello in cera può essere comprensiva del solo controdisco, oppure del controdisco e di parte delle pale della girante. In altre forme di realizzazione la prima porzione può comprendere un controdisco e tutte le pale. Una seconda porzione del modello in cera può comprendere il disco e le pale o parte di esse, oppure il disco soltanto.

Nell'esempio di realizzazione illustrato nei disegni allegati, la prima porzione del modello in cera comprende un controdisco ed una sezione o parte di ciascuna pa la della girante. In via esemplificativa, la girante è una girante di compressore centrifugo. Un processo analogo può essere usato per produrre una girante centripeta, ad esempio una girante di turbina centripeta, o una girante di un turbo- espantore centripeto. In ulteriori forme di realizzazione la girante può essere una girante per una pompa centrifuga.

Le Figg.l a 5 illustrano varie viste di una forma di realizzazione esemplificativa di una prima porzione di un modello in cera. La prima porzione del modello in cera è indicata con 1A e, in questa forma di realizzazione esemplificativa, comprende un controdisco 3 avente una superficie esterna 3 A ed una superficie interna 3B. Un occhio di girante 3C sporge dalla superficie esterna 3 A del controdisco 3 e circonda un ingresso di girante.

Una pluralità di pale parziali 5, cioè di parti di pale di girante, si estendono dalla superficie interna 3B del controdisco 3. Ciascuna pala parziale 5 si estende da un primo bordo 5L ad un secondo bordo 5T. Nella forma di realizzazione illustrata negli allegati disegni è mostrata una girante di compressore centrifugo, e quindi i primi bordi 5L sono bordi di attacco delle pale, mentre i secondi bordi 5T sono bordi di uscita delle pale. Ciascuna pala parziale 5 è, inoltre, provvista di una superficie di giunzione 5P, che si estende dal bordo di attacco 5L al bordo di uscita 5T,

Le Figg.6, 7 e 8 illustrano viste di una seconda porzione 1B del modello in cera 1. La seconda porzione 1B del modello in cera 1 è comprensiva di un disco 7 della girante. Il disco comprende una superficie frontale 7F ed una superficie tergale 7B. Una pluralità di pale parziali 9 sporgono dalla superficie frontale 7F del disco 7. Ciascuna pala parziale 9 ha un primo bordo 9L ed un secondo bordo 9T. Nel caso di una girante centrifuga, il primo bordo 9L è il bordo di attacco ed il secondo bordo 9T è il bordo di uscita. Ciascuna pala parziale 9 comprende, inoltre, una superficie di giunzione 9P.

Le due porzioni 1A e 1B del modello in cera sono prodotte separatamente tramite lavorazione meccanica e successivamente unite l'una all'altra, ad esempio tramite collante. L'unione può avvenire ad una interfaccia definita dalle superfici di giunzione 5P delle prime pale parziali 5 ed alle superfici di giunzione 9P delle seconde pale parziali 9. Le due superfici di giunzione 5P e 9P sono generalmente identiche l'una all'altra e combaciano l'una con l'altra definendo una interfaccia di incollaggio fra le due porzioni 1 A e 1B del modello in cera.

La Fig.9 illustra una vista laterale del modello in cera 1 dopo l'unione della prima e della seconda porzione 1A, 1B del modello.

Una volta che il modello in cera 1 è stato completato, attorno ad esso viene formato uno stampo ceramico 11. Lo stampo ceramico 11 può essere prodotto in modo di per sé noto, ad esempio immergendo ripetutamente il modello in cera 1 in un impasto ceramico e consentendo agli strati di impasto ceramico che aderiscono al modello in cera 1 di asciugare e indurire. L'immersione viene ripetuta finché si forma attorno al modello in cera 1 uno stampo ceramico sufficientemente spesso. La Fig.10 illustra schematicamente lo stampo ceramico finale 11 ed il modello in cera 1 incorporato in esso. Canali di flusso del modello in cera 1, definiti fra coppie di pale contigue, sono riempiti con l'impasto ceramico. In Fig.10 sono schematicamente mostrate anche le materozze.

Una volta che lo stampo ceramico 11 è stato completamente essiccato, lo stampo ceramico 11 ed il modello in cera I in esso contenuto possono essere riscaldati fino a che la cera (od altro materiale a bassa temperatura di fusione di cui il modello è realizzato) fonde e viene rimossa dallo stampo ceramico.

Dopo completa rimozione della cera, metallo fuso viene gettato nello stampo ceramico e fatto indurire, dopo di che lo stampo ceramico 11 viene rimosso. La girante così ottenuta può essere sottoposta a convenzionali fasi di rifinitura e lucidatura e/o trattamenti termici, secondo quanto richiesto.

Il diagramma di flusso della Fig.l 1 riassume le sopra menzionate fasi del processo di lavorazione secondo la presente descrizione.

Contrariamente ai metodi di fusione a cera persa convenzionali, il modello in cera viene generato per lavorazione meccanica, ad esempio per prototipizzazione rapida o fresatura, partendo da un modello 3D della girante, cosicché viene evitato il costo iniziale dello stampo richiesto per produrre il modello in cera. D processo diviene così conveniente anche per la produzione di un piccolo numero di giranti tra loro uguali, o anche soltanto di una singola girante.

Producendo separatamente due porzioni del modello in cera, possono essere prodotte facilmente forme di giranti complesse.

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 DI PRODUZIONE DI GIRANTI CHIUSE PER TURBOMACCHINE TRAMITE FUSIONE A CERA PERSA" Rivendicazioni 1. Un metodo per la produzione di giranti chiuse di turbomacchine comprendente le seguenti fasi: produrre una prima porzione di un modello che fonde a bassa temperatura della girante tramite un processo di lavorazione meccanica, un processo di prototipizzazione rapida, o un processo di produzione che utilizza una macchina di produzione sotto il controllo di un elaboratore elettronico sulla base di dati che rappresentano un modello 3D della girante; produrre una seconda porzione di un modello che fonde a bassa temperatura della girante tramite un processo di lavorazione meccanica, un processo di prototipizzazione rapida, o un processo di produzione che utilizza una macchina di produzione sotto il controllo di un elaboratore elettronico sulla base di dati che rappresentano un modello 3D della girante; unire la prima porzione e la seconda porzione luna all'altra formando un modello che fonde a bassa temperatura della girante, comprensivo di un disco, di un controdisco e di una pluralità di giranti disposte fra disco e controdisco; formare uno stampo ceramico attorno al modello che fonde a bassa temperatura della girante; rimuovere il modello che fonde a bassa temperatura dallo stampo ceramico tramite fusione del modello; colare metallo fuso nello stampo ceramico; solidificare il metallo; rimuovere lo stampo ceramico.
2. Il metodo della rivendicazione 1, in cui: una di dette prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura e seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura comprende il disco del modello che fonde a bassa temperatura della girante; l’altro di detta prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura e seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura comprende il con trodisco del modello che fonde a bassa temperatura della girante; almeno una di dette prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura e seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura forma almeno una parte di ciascuna di pala di una pluralità di pale disposte fra il disco ed il controdisco del modello che fonde a bassa temperatura.
3. Il metodo della rivendicazione 2, in cui ciascuna pala del modello che fonde a bassa temperatura è divisa lungo una interfaccia intermedia che si sviluppa tra un bordo di attacco ed un bordo di uscita della pala, una prima parte della pala essendo di pezzo con la prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura ed una seconda parte della pala essendo di pezzo con la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura, la prima porzione del modello che fonde a bassa temperatura e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura essendo unite in corrispondenza dell'interfaccia di dette pale.
4. Il metodo della rivendicazione 1, 2 o 3, in cui la prima porzione e la seconda porzione del modello che fonde a bassa temperatura sono unite per incollaggio.
5. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre almeno una fase di finitura superficiale della girante metallica.
6. Il metodo di una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il modello che fonde a bassa temperatura è realizzato in cera.