ITBO20000119A1 - Pompa volumetrica rotativa a rotori elicoidali . - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell’invenzione industriale dal titolo: “Pompa volumetrica rotativa a rotori elicoidali”

La presente invenzione si riferisce al settore delle pompe volumetriche rotative. Sono noti svariati tipi di pompe rotative, fra i quali si ricordano le pompe ad ingranaggi, le pompe a lobi, e le pompe a vite.

Le pompe ad ingranaggi sono generalmente costituite da due ruote dentate a denti diritti, delle quali una, detta conduttrice, è connessa ad un albero di comando e trascina in rotazione l’altra ruota, detta condotta. Uno svantaggio particolarmente sentito nelle suddette pompe ad ingranaggi è il rischio che il fluido pompato venga incapsulato e compresso nei vani racchiusi fra i profili dei denti nella zona di ingranamento e dia luogo a dannosi picchi di sollecitazione locale, specialmente quando il fluido è incomprimibile. Per evitare l’insorgere del suddetto problema, occorre adottare particolari disegni costruttivi consistenti, ad esempio, nella realizzazione di incavi, ricavati sulle fiancate o testate della pompa, che consentano al fluido intrappolato di sfuggire verso la mandata o l’aspirazione. E’ pure noto il problema, discusso più in dettaglio nel seguito, derivante dal fenomeno di irregolarità, o “ripple”, nel trasferimento del fluido. Questi problemi sono causa di rumorosità nel funzionamento delle pompe note. Uno studio dei suddetti problemi connessi alla progettazione delle pompe ad ingranaggi è svolto in “C. Bonacini, Sulla portata delle pompe ad ingranaggi, L’ingegnere, 1961 n.

9”.

Le pompe a lobi sono anch’esse costituite da almeno due rotori con profili coniugati che ruotano all’interno di una carcassa fissa. Le pompe a lobi con profili coniugati esterni presentano il vantaggio di avere, rispetto alle pompe ad ingranaggi e a parità d’ingombro, cilindrate superiore, ma tuttavia richiedono dispositivi esterni, ad esempio una coppia aggiuntiva di ruote dentate, per sincronizzare il movimento dei rotori. Le pompe a lobi con profili coniugati interni, sebbene non necessitino di dispositivi di sincronizzazione esterna, tuttavia presentano una cilindrata specifica modesta ed un rendimento volumetrico generalmente mediocre.

Le pompe a vite realizzano in senso assiale e periferico lo stesso sisterna di trasporto del liquido che le pompe ad ingranaggi sopra menzionate realizzano in senso puramente periferico. Pur presentando buone caratteristiche di regolarità della portata, tuttavia in generale le pompe a vite presentano svantaggi analoghi a quelli delle pompe ad ingranaggi, in particolare per quanto riguarda il rischio di incapsulamento di fluido.

Con riferimento specifico al problema dell’incapsulamento, con riguardo all’applicazione nel settore delle pompe a lobi, una soluzione è descritta nel documento di brevetto IT-B095A000095 del medesimo richiedente, il cui contenuto si intende qui incorporato integralmente per riferimento in modo da fornire al tecnico esperto del settore i dettagli di progettazione e di conformazione specifica dei denti dei rotori illustrati in tale documento anteriore. Tale soluzione si riferisce in particolare, anche se non esclusivamente, alla configurazione del profilo dei denti dei rotori di un compressore Roots tale per cui, in ciascuna posizione angolare reciproca dei rotori, almeno una generatrice del primo rotore è sostanzialmente a contatto con una sola generatrice del secondo rotore, a meno di giochi e di tolleranze di costruzione. Questa conformazione dei profili dei rotori evita la formazione di volumi incapsulati fra i rotori ed i conseguenti svantaggi che ne possono derivare. La soluzione sopra evidenziata non risolve tuttavia il problema principale delle pompe a lobi, e cioè la necessità di predisporre un sistema di trascinamento e sincronizzazione esterna dei due rotori.

In ogni caso, tutte le soluzioni della tecnica nota sopra menzionate presentano, come accennato più sopra, il problema comune consistente nella rumorosità di funzionamento indotta dalle oscillazioni istantanee della portata nel tempo, meglio conosciuta come rumorosità da ripple. Le suddette oscillazioni generano un’onda pulsante che, attraverso il fluido, si trasmette al Γ ambiente circostante e, in particolare, alle pareti della pompa, alle tubazioni ed ai condotti di mandata. La rumorosità indotta può raggiungere livelli anche imprevedibili nel caso in cui i suddetti organi entrino in risonanza con la frequenza di oscillazione o ripple.

Una serie di studi e sperimentazioni hanno dimostrato che tali oscillazioni sono intrinsecamente dovute alla configurazione dei rotori o ruote dentate delle pompe sopra menzionate che, in fasi successive del loro ingranamento, determinano una discontinuità nella variazione del volume che causa il trasporto del fluido dall’aspirazione alla mandata. In altre parole, il ripple è dovuto alla discontinuità nella variazione di tale volume rispetto al tempo o, meglio, rispetto alla posizione angolare reciproca dei rotori.

Una soluzione proposta per risolvere il problema sopra indicato è quella di predisporre in parallelo due pompe volumetriche rotative identiche,

in modo tale che le oscillazioni generate dall’una siano in controfase e quindi compensate almeno parzialmente dalle oscillazioni dell’altra. Naturalmente, lo svantaggio principale di una tale soluzione è dato dalla sua particolare complessità costruttiva e, più in generale, dal costo elevato.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire una pompa volumetrica rotativa che superi gli svantaggi della tecnica nota, ed in particolare che abbatta considerevolmente la rumorosità da ripple senza che ciò comporti un incremento del costo e della complessità di realizzazione rispetto

alle più tradizionali pompe a vite o ad ingranaggi. Scopo ulteriore

dell’invenzione è quello di fornire una pompa che presenti buone caratteristiche di tenuta, che sia di semplice ed economica fabbricazione e manutenzione, e che presenti una buona affidabilità nel tempo, eliminando contemporaneamente i problemi di incapsulamento.

Al fine di raggiungere gli scopi sopra indicati, l’invenzione ha per oggetto

una pompa volumetrica comprendente una coppia di rotori o ruote dentate

ingrananti, rispettivamente conduttrice e condotta, racchiuse in una carcassa

con una luce di mandata ed una luce di aspirazione di un fluido, caratterizzata dal fatto che dette ruote dentate comprendono una pluralità di denti

ingrananti senza incapsulamento e contemporaneamente definenti dentature

elicoidali con ricoprimento di fascia sostanzialmente pari o prossimo

all’unità.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue, con riferimento alle figure annesse, date puro a titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1 illustra in prospettiva una coppia di rotori o ruote dentate ingrananti di una pompa realizzata secondo la presente invenzione,

la figura 2 è una sezione longitudinale schematica della coppia di rotori della figura 1, illustrante in particolare il sistema di compensazione delle spinte assiali dellingranaggio,

la figura 3 è una sezione trasversale della coppia di rotori della figura 1 in una prima posizione angolare di ingranamento,

la figura 4 è una sezione analoga a quella di figura 2, illustrante la coppia di rotori in una seconda posizione angolare di ingranamento, e

la figura 5 illustra la coppia di rotori della figura 2 in una terza posizione di ingranamento.

Con riferimento ora alle figure 1 e 2, una pompa volumetrica rotativa comprende una prima ed un seconda ruota dentata o rotore 10, 11. La prima ruota dentata 10 è connessa, integralmente o mediante un fissaggio di tipo generalmente noto nel settore, ad un albero motore 12 che, nell’impiego della pompa, prende il moto da un organo motore (non illustrato). La seconda ruota dentata 11 ingrana con la prima ruota dentata e, nell’ impiego, è trascinata in rotazione da quest’ultima. Entrambe le ruote 10, 11 sono provviste di codoli o alberi 13, 14a, 14b montati girevoli, cosi come l’albero motore 12, a tenuta su testate 15, una sola delle quali è rappresentata nella figura 1 per chiarezza di descrizione. Le ruote dentate 10, 11 sono racchiuse, come ben noto nel settore delle pompe rotative, in una carcassa (non illustrata) provvista di una luce di aspirazione e di una luce di mandata per il fluido da pompare.

Ciascuna ruota 10, 11 presenta una serie di denti periferici 16a, 16b di uguale profilo, realizzato di preferenza secondo gli insegnamenti del documento di brevetto IT-B095A000095, qui incluso per riferimento, e comunque tale da garantire un’assenza di aree di incapsulamento di fluido per

ciascuna posizione angolare reciproca delle ruote dentate. Sebbene siano

noti altri profili di ruote dentate, in particolare adottati nelle pompe a lobi, in

grado di soddisfare il suddetto requisito di assenza di incapsulamento, si

ritiene che il profilo di cui al suddetto documento di brevetto del medesimo

richiedente costituisca la soluzione preferibile per la presente invenzione

poiché a parità di ingombri consente di ottenere denti più alti e quindi portate maggiori. Inoltre, nel tratto vicino al cerchio primitivo, nella zona in cui

viene trasmesso il moto dalla ruota conduttrice 10 alla ruota condotta 11, il

profilo preferibilmente adottato è, in sezione trasversale, un tratto di evolvente, tanto da rendere il suddetto profilo soddisfacentemente insensibile

alle variazioni di interasse fra le due ruote 10, 11. Infine, il profilo preferibilmente selezionato risulta di semplice costruzione perché, a differenza ad

esempio di profili del tipo “cicloidale”, non presenta tratti con raggio di curvatura tendenti a zero, specie in prossimità del cerchio primitivo.

Il numero di denti di ciascuna ruota dentata 10, 11 in rapporto

all’angolo di elica è tale per cui può essere garantito l’ ingranamento ed il

trascinamento della ruota condotta 11 da parte della ruota conduttrice 10 in

qualunque posizione angolare, senza tuttavia limitare eccessivamente lo

spazio occupato dai denti all’interno della carcassa della pompa, e con esso

la portata della pompa stessa. Nell’esempio preferito illustrato nelle figure,

ciascuna ruota 10, 11 è provvista di sette denti 16a, 16b, ma naturalmente il

loro numero potrà variare a seconda delle specifiche particolari di progetto

neile attuazioni della presente invenzione, in particolare a seconda delle dimensioni e dell’interasse della pompa rotativa.

I denti 16a, 16b si sviluppano elicoidalmente lungo l’altezza di ciascuna ruota 10, 11 con ricoprimento di fascia sostanzialmente uguale o prossimo all’unità, e cioè — in altre parole — con passo assiale tra due denti successivi uguale o prossimo all’altezza della ruota nella direzione dell’asse di rotazione. Grazie a tale configurazione, il profilo trasversale di un dente 16a o 16b in corrispondenza di una faccia di estremità 17a, 17b delle ruote 10, 11 è sostanzialmente allineato - secondo una direzione parallela all’asse di rotazione delle ruote stesse - con il profilo trasversale di un dente 16a, 16b adiacente in corrispondenza dell’altra faccia di estremità 18a, 18b della rispettiva ruota 10, 11.

Nella figura 2 è visibile in dettaglio una soluzione per la compensazione delle spinte assiali generate, come è noto, dalla coppia di ruote elicoidali 10, 11 e dalla configurazione spaziale dei denti esposti a variazione di pressione. In particolare, le estremità degli alberi o codoli 13, 14a appoggiano in contrasto con una coppia di rispettivi perni di riscontro 19, 20 montati scorrevoli assialmente a tenuta entro rispettivi alloggiamenti assiali 21, 22 praticati in una flangia 23. Le estremità dei perni di riscontro 19, 20 opposte rispetto agli alberi o codoli 13, 14a sfociano in una camera comune 24 ricavata su un piatto di chiusura 25 e che, nell’uso, è preferibilmente in comunicazione con la mandata della pompa rotativa. In questo modo, il fluido in pressione che va ad occupare la camera 24 contrasta, agendo sui perni di riscontro 19, 20, la spinta assiale generata dalle ruote dentate 10, 11. Se, come preferibile, la pressione nella camera 24 è generata dalla pompa stessa, lequilibratura delle spinte assiali si regola automaticamente e mantiene la

sua efficacia al variare della pressione stessa.

Nelle figure 3 a 5 sono illustrate, in sezione trasversale rispetto

all’asse di rotazione delle ruote 10, 11, le posizioni assunte dai denti 16a,

I6b in momenti successivi di ingranamento. Appare evidente che in ciascun

momento non formano vani chiusi fra le dentature delle ruote 10, 11, in particolare nella posizione illustrata nella figura 4 che, nelle pompe ad ingranaggi tradizionali, comporta invece la generazione problematica di un tale

vano chiuso, delimitato dai fianchi dei denti che vanno a toccarsi lungo due

primitive.

Tuttavia, grazie alla configurazione delle ruote 10, 11 che determina

nel complesso un ingranaggio elicoidale con ricoprimento di fascia pari o

prossimo all’unità, le figure 3 a 5 sono pure rappresentative delle configurazioni assunte dai denti 16a, 16b nello stesso istante temporale, ma su piani

trasversali diversi individuati lungo l’altezza delle ruote 10, 11. In altre parole, percorrendo con sezioni progressive tutta l’altezza di fascia

dell 'ingranaggio, si ritrovano tutte le possibili configurazioni di ingranamento fra le ruote, configurazioni che sono tutte sfruttabili grazie al fatto

che non esiste discontinuità nell’ ingranamento sul fondo dente, ossia non vi

è incapsulamento. Questo fatto, di fondamentale importanza per la presente

invenzione, comporta il risultato che nel funzionamento della pompa non si

verificano discontinuità nella variazione del volume che causa il trasporto

del fluido dall’aspirazione alla mandata con la conseguenza che le oscillazioni della portata di fluido, a meno di tolleranze di lavorazione e di imperfezioni di fabbricazione delle ruote 10, 11, sono azzerate o quantomeno ri

dotte in misura significativa rispetto a quanto ottenibile con pompe di tipo tradizionale. Un risultato di tale tipo non è raggiungibile semplicemente adottando una dentatura elicoidale nelle pompe ad ingranaggi di tipo tradizionale poiché la realizzazione di un ingranaggio elicoidale con ricoprimento di fascia pari all’unità o comunque piuttosto spinto comporterebbe il rischio, per determinate posizioni angolari dei denti, dell’apertura di una luce di passaggio fra aspirazione e mandata, con il conseguente crollo inaccettabile del rendimento e delle prestazioni della pompa. Inoltre, nelle pompe ad ingranaggi tradizionali esiste un tratto del dente con discontinuità d’ingranamento, in cui la testa di un dente si stacca dal fondo del coniugato, tanto che si avrebbe ripple anche nell’ipotesi di riuscire ad ottenere un ricoprimento di fascia prossimo all’unità risolvendo il problema della luce di passaggio fra mandata ed aspirazione.

La speciale combinazione della presente invenzione consistente nell’adozione combinata di dentature elicoidali e di profili di denti senza incapsulamento, consente di realizzare pompe volumetriche rotative decisamente migliori rispetto a quanto precedentemente noto, con particolare riguardo all’abbattimento del ripple e alla riduzione di rumorosità che ne consegue.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Pompa volumetrica rotativa comprendente una coppia di rotori o dentate (10, 11) ingrananti, rispettivamente conduttrice e condotta, racchiuse in una carcassa con una luce di mandata ed una luce di aspirazione di un fluido, caratterizzata dal fatto che dette ruote dentate (10, 11) comprendono una pluralità di denti (16a, 16b) ingrananti senza incapsulamento e contemporaneamente definenti dentature elicoidali con ricoprimento di fascia sostanzialmente pari o prossimo all’unità.
2. 2. Pompa volumetrica rotativa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i denti (16a, 16b) presentano, in sezione trasversale, un profilo definito da curve parametriche secondo gli insegnamenti del documento di brevetto IT-B095A000095.
3. 3. Pompa volumetrica rotativa secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende un sistema di compensazione delle spinte assiali comprendente mezzi di spinta assiale (19, 20) soggetti, nell’uso, ad una pressione di fluido ed agenti sugli alberi (19, 20) delle ruote dentate (10, 11).
4. 4. Pompa volumetrica rotativa secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che il sistema di compensazione comprende una camera (24) di pressione di fluido posta in comunicazione con la mandata della pompa.
5. 5. Pompa volumetrica rotativa secondo quanto descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.