CORSO DI Computer Aided Design A.A. 2012/2013 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

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1 CORSO DI Computer Aided Design A.A. 2012/2013 Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica TEMA D ANNO Modellazione di un compressore alternativo Docente: Prof. Ing. Anna Eva Morabito Studente: Antonio Tricarico n matricola:

2 INDICE 1.1 Compressori di gas Compressori alternativi Descrizione dei componenti Testata Cilindro Pistone Spinotto Biella Semialbero anteriore Semialbero posteriore Perno Puleggia Flangia Basamento 20 2

3 1.1 Compressori di gas. La categoria delle macchine pneumofore comprende i compressori, le soffianti e i ventilatori, macchine operatrici che hanno come scopo principale l innalzamento della pressione di un gas, di norma aria, grazie all azione di uno o più organi interni mobili mossi da un motore esterno. La sequenza delle azioni subite dal gas all interno di una macchina pneumofora è la seguente: - il gas viene aspirato e introdotto all interno del corpo macchina attraverso un collettore di aspirazione; - uno o più organi mobili trasferiscono al gas l energia meccanica proveniente dal motore esterno, generando la portata e la pressione; - il gas in pressione viene scaricato all esterno attraverso un collettore di mandata. Le macchine pneumofore sono azionate da motori di vario tipo: - per applicazioni di piccola-media potenza sono generalmente impiegati i motori elettrici in corrente alternata; - negli impianti siderurgici e chimici, in cui sono presenti generatori di vapore ad alta pressione e nei quali vi è un ingente fabbisogno di aria compressa, i grandi compressori sono azionati preferibilmente da turbine a vapore. Normalmente, la differenza sostanziale tra compressori, soffianti e ventilatori è data dai diversi incrementi di prevalenza imposti al fluido da parte dei vari tipi di macchina. I differenti campi di utilizzo delle macchine in oggetto sono riportati in Tabella 1. Tabella 1: Campi di utilizzo delle macchine pneumofore. MACCHINE PNEUMOFORE Δp [bar] VENTILATORI SOFFIANTI , 8-10 COMPRESSORI > 10 I compressori vengono suddivisi in alternativi, dinamici e a capsulismi. 3

4 I compressori alternativi sono costituiti da uno o più stantuffi, mossi tramite il sistema biellamanovella; i compressori dinamici, detti anche turbocompressori, hanno come organo mobile una o più corone palettate rotanti e vengono ulteriormente suddivisi in assiali, centrifughi e misti, a seconda del moto seguito dall aeriforme quando è guidato dal palettaggio mobile; i compressori a capsulismi raggruppano una grande varietà di soluzioni, con organi pompanti di forma assai diversa, quali tamburi rotanti con palette scorrevoli assialmente, lobi rotanti e viti ingrananti Compressori alternativi. I compressori alternativi denotano sensibili analogie con le pompe a stantuffo, poiché si configurano come macchine destinate a funzionare a basso regime con portate medio-piccole e pressioni di mandata molto elevate. Le condizioni operative variano da una velocità di rotazione di circa 1000 rpm, con velocità medie dello stantuffo pari a circa 8 m/s e rapporti di compressione variabili tra 9-10 (compressori veloci, di piccola dimensione e per installazione mobile) a 100 rpm e rapporti di compressione pari a 2-3 (compressori lenti, di grandi dimensioni e per installazione fissa). Un compressore a stantuffo (Figura 1.1) è costituito, nella sua configurazione più semplice, da un cilindro, dotato di valvole di aspirazione e di mandata, nel quale scorre uno stantuffo avente un movimento alternato, comandato da un sistema biella-manovella oppure da un eccentrico e punteria. I compressori alternativi possono essere costituiti da uno o più stadi e da uno o più stantuffi, che possono essere a semplice o duplice effetto (entrambe le facce dello stantuffo sono attive). La disposizione dei cilindri è ad asse verticale od orizzontale, nel caso di un unico stantuffo, e a V, W, X nel caso di più stantuffi; talvolta si possono trovare cilindri fra loro contrapposti. I compressori alternativi sono in generale impiegati per portate molto basse e per pressioni di circa 10 bar; qualora la pressione richiesta supera i 20 bar si devono adottare compressori alternativi multistadio. I compressori alternativi hanno normalmente stantuffi lubrificati, con lo svantaggio che l'aria compressa contiene in sospensione particelle di olio. Il compressore a stantuffo è uno dei primi compressori ideati, ma rimane il più versatile ed è ancora oggi un compressore molto efficiente. 4

5 Nel compressore alternativo, uno stantuffo si sposta all interno di un cilindro con moto alternativo, imposto da una biella collegata ad un albero motore. Se per la compressione lavora una sola faccia dello stantuffo, si parla di compressori ad effetto semplice, se invece lavorano entrambe le facce dello stantuffo, superiore ed inferiore, si parla di compressori a doppio effetto. Un compressore a stantuffo può avere un unico cilindro di bassa pressione/bassa portata, oppure può essere di tipo multistadio, per compressioni fino a pressioni molto elevate: in questi compressori, l aria viene compressa passando per stadi successivi in cui la pressione raggiunta dall'aria alla fine della compressione assume valori via via crescenti. Figura 1.1: Schema di funzionamento per un compressore alternativo. I compressori alternativi possono essere a loro volta classificati, a seconda della modalità costruttiva, in: - compressori semi-ermetici (Figura 1.2): in questa tipologia, compressore e motore elettrico sono racchiusi in un unico involucro, ma questo può essere aperto per le operazioni di manutenzione. 5

6 Questa tipologia di compressore è utilizzata per le medie potenzialità e nei gruppi refrigeratori d'acqua. - compressori ermetici: il compressore vero e proprio e il motore elettrico sono racchiusi in un unico involucro saldato e non accessibile per manutenzione e qualora si rompa un singolo componente è necessario sostituire l'intero compressore. Questi compressori sono utilizzati nella refrigerazione civile (frigoriferi, congelatori, ecc.) e negli impianti di climatizzazione per piccole e medie potenzialità. Figura 1.2: Compressore alternativo semi-ermetico. - compressori aperti (Figura 1.3): l estremità dell albero che dà il moto al compressore stesso fuoriesce dall involucro della macchina e su tale estremità può essere collegato direttamente il motore di comando (accoppiamento diretto) o calettata la puleggia condotta (volano) per una trasmissione a cinghie. Dal gruppo compressore esce un albero di trasmissione a cui collegare il motore tramite puleggia, cinghie o altro e sia il motore che il gruppo compressore sono completamente ispezionabili. Questi compressori sono utilizzati per le medie e per le grandi potenzialità frigorifere. 6

7 Figura 1.3: Compressore alternativo aperto (bicilindrico). I compressori alternativi sono generalmente diffusi per la realizzazione di impianti di refrigerazione industriale, sebbene molto spesso siano combinati con compressori rotativi a palette. 7

8 2.1 Descrizione dei componenti Il compressore alternativo in oggetto è di tipo aperto, in quanto l estremità dell albero fuoriesce dal carter per accoppiarsi, mediante trascinamento indiretto, con il motore elettrico, ed è destinato alla produzione di aria compressa per utenze domestiche, in cui le potenze installare risultano molto limitate. Nei paragrafi successivi verranno descritti i componenti costituenti il compressore alternativo in oggetto, in riferimento alla funzionalità e al tipo di accoppiamento che lo caratterizzano Testata La parte superiore del cilindro è chiusa dalla testata (Figura 2.1): essa è realizzata in alluminio, ospita i condotti di aspirazione e di scarico ed è fissata al cilindro tramite quattro viti a testa cilindrica con intaglio (Figura 2.2). Figura 2.1: Testata. Figura 2.2: Vite a testa cilindrica con intaglio. 8

9 2.1.2 Cilindro. All interno del cilindro (Figura 2.3) scorre il pistone, messo in movimento dall accoppiamento tra lo spinotto e la biella. Il cilindro è fissato al basamento mediante quattro viti a testa esagonale M10 (Figura 2.4). Figura 2.3: Vite a testa esagonale. La superficie interna del cilindro è di fondamentale importanza per il corretto esercizio del compressore: in particolare, è stata assegnata una tolleranza H6 e una rugosità di 0.6 μm, in quanto è necessario far sì che sia garantita la tenuta tra pistone e cilindro. Ciò sarà evidenziato con maggior chiarezza nella descrizione del pistone. superficie per il fissaggio della testata fori per il fissaggio del cilindro al basamento Figura 2.4: Cilindro. 9

10 2.1.3 Pistone. Il pistone è realizzato in alluminio e la sua superficie esterna è opportunamente levigata, al fine di garantirne un migliore adattamento alla superficie interna del cilindro nel quale è destinato a muoversi ed inibire l insorgere di fenomeni di battito, nel caso di gioco eccessivo, e grippaggio, in condizioni di gioco insufficiente. Generalmente, la tolleranza relativa all accoppiamento pistone-cilindro può variare fino ad un massimo di 0,05 mm e ciò consente di mantenere un ottima tenuta senza compromettere l affidabilità dell accoppiamento: per questo motivo, al pistone è stata assegnata una tolleranza g6 sulla superficie cilindrica esterna, il che consente di ottenere un accoppiamento con gioco tale da rispettare il vincolo descritto in precedenza. Il foro passante deve anch esso possedere ottime caratteristiche di levigatura, onde favorire l alloggiamento dello spinotto (Figura 2.5). Figura 2.5: Accoppiamento pistone-spinotto e sezione del pistone. Infine, è stata assegnata una tolleranza dimensionale alla distanza tra asse del foro passante e cielo, quest ultimo di forma piatta, in quanto questa misura influenza il rapporto di compressione. 10

11 2.1.4 Spinotto. Lo spinotto (Figura 2.6) è il perno cilindrico che collega la biella al pistone: esso è montato con interferenza nel foro del piede di biella, motivo per il quale la superficie esterna è caratterizzata da un grado di finitura molto spinto. Figura 2.6: Spinotto. Il materiale che lo costituisce (acciaio al Cr-Mn) possiede elevata resistenza a fatica e buona durezza superficiale Biella. La biella (Figura 2.7), realizzata in ghisa sferoidale, è l organo che collega l albero al pistone ed è formata da un corpo, detto fusto, da un piede e da una testa. La testa è costituita da una coppia di semianelli, soluzione che permette di ridurre l ingombro trasversale: in tal caso, il semianello inferiore, denominato cappello, è montato sulla biella mediante il serraggio di due viti mordenti M5. Una delle caratteristiche principali che una biella deve avere è la rigidità in corrispondenza degli occhi, ossia laddove vengono montati i perni, in quanto questi non devono assolutamente deformarsi: la rugosità superficiale delle pareti interne del cappello e del piede è di 0.8 μm. 11

12 VITE MORDENTE FUSTO OCCHIO o PIEDE CAPPELLO TESTA Figura 2.7: Biella. Il corpo centrale della biella, denominato fusto, rappresenta la struttura portante della biella attraverso cui si trasmettono le forze scambiate tra pistone e manovella: la forma del fusto di biella è a doppia T, in quanto abbina resistenza a leggerezza ed inoltre risulta semplice ottenerla per forgiatura. L occhio di biella viene raccordato al fusto per evitare concentrazioni di sforzo che interessano gli spigoli vivi e che potrebbero portare a rottura del pezzo in esercizio. All interno di ciascun semianello è alloggiata una boccola antifrizione: in particolare, la testa di biella è unita al perno di manovella a mezzo di una bronzina, per permettere il libero scorrimento reciproco tra la testa della biella e il perno di manovella; il piede di biella è accoppiato al pistone tramite lo spinotto e l interposizione di una bronzina piantata ad interferenza, alla cui lubrificazione è dedicato un foro che raccoglie parte dell olio spruzzato sul cielo del pistone, consente di migliorare il movimento reciproco tra piede di biella e spinotto. Quanto affermato è rappresentato in Figura

13 BRONZINA DI PIEDE BRONZINA DI TESTA Figura 2.8: Montaggio delle bronzine Semialbero anteriore. Il semialbero anteriore è mostrato in Figura Figura 2.9: Semialbero anteriore. 13

14 L estremità del semialbero (1) è filettata, al fine di consentire l avvitamento di un dado con rondella (Figura 2.10) che consente il bloccaggio tra semialbero e puleggia. La gola di scarico (2) comporta benefici nella fase di realizzazione del componente, in quanto evita la formazione di un tratto terminale a filettatura incompleta ed assicura all utensile la possibilità di disimpegnarsi. Figura 2.10: Dado e rondella. La sede per linguetta (3) ospita la linguetta a disco (Figura 2.11) che assicura la trasmissione del moto rotatorio tra albero e puleggia. Figura 2.11: Linguetta a disco. Inoltre, la superficie cilindrica di diametro 25 mm (4) ospita il cuscinetto a due corone di sfere (Figura 2.12), con il relativo anello di tenuta (Figura 2.13), motivo per il quale presenta bassa rugosità (0.4 μm), oltre una tolleranza dimensionale sul diametro (js5) e ad una tolleranza di cilindricità. 14

15 Figura 2.12: Cuscinetto radiale a due corone di sfere. Figura 2.13: Anello di tenuta. La superficie 5 realizza lo spallamento adiacente al cuscinetto, per cui presenta rugosità 0.4 μm. Sulle superfici 6 è allocato un foro passante, che alloggia il perno di manovella: a tale foro sono state stata assegnate una tolleranza sul diametro H7 e una tolleranza di perpendicolarità. Il foro posizionato sulla superficie 7 presenta una filettatura M6 e ospita una vita senza testa con intaglio (Figura 2.14), atta al bloccaggio del perno. Figura 2.14: Vite senza testa con intaglio. 15

16 2.1.7 Semialbero posteriore. Come affermato in precedenza, il semialbero posteriore (Figura 2.15) è accoppiato con il semialbero anteriore tramite il perno di manovella, montato con interferenza nel foro passante posto sulla superficie 1. Il semialbero posteriore, analogamente a quanto visto per il semialbero anteriore, presenta un foro atto al bloccaggio del perno, situato sulla superficie di diametro maggiore (2); la sede per il cuscinetto ad una corona di sfere (Figura 2.16) è situata sulla superficie 4, mentre la superficie 3 realizza lo spallamento adiacente al cuscinetto: ad entrambe le superfici è stata assegnata una rugosità di 0.4 μm ed alla superficie 4 è stata attribuita inoltre una tolleranza di cilindricità. Il foro di alloggiamento del perno presenta una tolleranza dimensionale H7 ed una di parallelismo con l asse del semialbero Figura 2.15: Semialbero posteriore. 16

17 Figura 2.16: Cuscinetto radiale ad una corona di sfere Perno. Il perno di manovella è il componente a cui si unisce la testa della biella e si trova in posizione eccentrica rispetto all'asse di rotazione dell'albero. Le due estremità del perno di manovella (Figura 2.17) sono montate con interferenza nei fori presenti nei due semialberi di cui sopra e l accoppiamento tra perno e biella avviene tramite l applicazione di una bronzina. Le superfici cilindriche 2 e 3 presentano una tolleranza s6 e una tolleranza di concentricità, mentre alla superficie cilindrica 1, accoppiata con la biella, sono state assegnate la tolleranza dimensionale js6 e una tolleranza di cilindricità Figura 2.17: Perno di manovella. 17

18 2.1.9 Puleggia La puleggia (Figura 2.18) atta a trasferire il moto all albero su cui è calettata, tramite una linguetta a disco, è realizzata in ghisa grigia GG25. Figura 2.18: Puleggia. Alla sede della linguetta è stata assegnata una tolleranza P9. L utilizzo di una linguetta, che come è noto non oppone alcun ostacolo al movimento assiale, ha fatto sì che il bloccaggio assiale del sistema albero-puleggia sia garantito dal ricorso ad un dado M16 con rondella d appoggio (Figura 2.19). 18

19 Figura 2.19: Bloccaggio assiale realizzato con dado e rondella Flangia. La flangia utilizzata per la chiusura del compressore (Figura 2.20) presenta la superficie esterna filettata (M125x2). Tale componente consta di quattro fori filettati ciechi (M6) per il fissaggio del motore elettrico. Alla sede di alloggiamento della ralla esterna del cuscinetto a due corone di sfere è stata assegnata una tolleranza H6, mentre la superficie interessata dall alloggiamento dell anello di tenuta presenta una tolleranza dimensionale H8, al fine di garantire una tenuta statica soddisfacente. superficie filettata per l avvitamento nel basamento Figura 2.20: Flangia. 19

20 Basamento. Al basamento (Figura 2.21), al cui interno è posizionato il meccanismo di trasmissione del moto tra albero e biella, è fissato il cilindro mediante quattro viti a testa esagonale. superficie per il fissaggio del cilindro mediante viti mordenti Figura 2.21: Basamento. Inoltre, in esso è situato il cuscinetto ad una corona di sfere (vista in sezione Figura 2.22), la cui ralla esterna poggia sulla superficie cilindrica di diametro 62 mm, a cui è stata assegnata una tolleranza H6, una tolleranza di circolarità e rugosità pari a 0.4 μm. La superficie cilindrica di diametro 125 mm è filettata e consente l avvitamento della flangia del compressore. Un foro filettato M10 consente la raccolta dell olio lubrificante. 20

21 posizionamento ralla esterna cuscinetto superficie filettata per l avvitamento della flangia foro filettato per la raccolta dell olio lubrificante Figura 2.22: Vista in sezione del basamento del compressore. 21

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