IT8967938A1

IT8967938A1 - Metodo di fabbricazione mediante elettroerosione di una girante o di un rotore a una o piu' giranti di una turbopompa, particolarmente di una pompa turbomolecolare, e prodotti cosi' ottenuti.

Info

Publication number: IT8967938A1
Application number: IT1989A67938A
Authority: IT
Inventors: Dario Inserra; Marco Marzio; Paolo Pellizzari
Original assignee: Varian Spa
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1989-11-03
Publication date: 1991-05-03
Also published as: IT8967938A0; DE69000968T2; DE69000968D1; EP0426233B1; ATE85923T1; HK1000008A1; EP0426233A1; JPH03184726A; IT1238201B; US5188514A; JPH0755409B2

Description

Pu?' essere ottenuto un rotore monolitico usando utensili aperti (10a...10n) con intagli (5') formati lungo una semicirconferenza, con due passaggi rototraslatori successivi del pezzo attraverso gli utensili.

Un'applicazione vantaggiosa del prodotto ottenuto e' conte rotore di pompe turbomolecolari, perche' ottimizza il rapporto di compressione e la velocita' di pompaggio, oltre a conferire una notevole robustezza strutturale. (Fig. 5)

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un metodo di fabbricazione mediante elettroerosione di una girante o di un rotore a una o piu' giranti, di una turbopompa, particolarmente di una pompa turbomolecolare, ed alla girante o al rotore ottenuti con tale metodo.

Un rotore di pompe turbomolecolari e' costituito da una serie di giranti calettate su un albero rotante. Ciascuna girante e' costituita da un disco provvisto di una schiera di alette periferiche radiali, ed e' destinata a ruotare, in uso, fino a velocita' di diverse decine di migliaia di giri/min. Le severe condizioni d'impiego e le prestazioni sempre piu' spinte richieste alle pompe turbomolecolari in termini di compressione e velocita' di pompaggio impongono che la struttura di ogni singola girante e del rotore nel suo insieme sia robusta ed equilibrata, e che le alette della girante abbiano una forma tale da ottimizzare le prestazioni della pompa.

I metodi noti di costruzione di rotori di giranti per pompe turbomolecolari comportano la costruzione separata delle giranti ed il loro successivo calettamento sull'albero del rotore.

Secondo la domanda di brevetto inglese n. 2171942, ciascuna girante viene costruita ricavandone le alette per fresatura mediante un'attrezzatura che permette la lavorazione simultanea di piu' dischi. Ci?' nonostante, si tratta di una lavorazione che richiede piu' fasi e tale da limitare le caratteristiche del prodotto: la luce tra le alette, ad esempio, non pu?' scendere al di sotto di certi valori, essendo determinata dalla metodologia di taglio impiegata. Inoltre, permangono i problemi derivanti dal calettamento delle giranti sull'albero.

Un'altra soluzione nota e' quella di ricavare le singole alette della girante mediante la tecnica di elettroerosione. In tal caso, pur migliorando alcune caratterietiche del' prodotto ottenuto, per esempio grazie alla ridotta luce tra le alette rispetto a quanto ottenibile per fresatura, il metodo di costruzione rimane lungo e costoso, dal momento che le palette vengono costruite una per una e le singole giranti devono poi essere calettate sull'albero del rotore. Un esempio di questa tecnica di costruzione, non applicato ai rotori di pompe turbomolecolari, e' descritto nella domanda di brevetto francese n. 2570970.

Scopo della presente invenzione e' di eliminare o ridurre gli inconvenienti dei metodi noti di costruzione dei rotori di pompe turbomolecolari, fornendo un metodo che sia insieme rapido e capace di produrre una girante od un rotore di elevate caratteristiche operative.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un metodo di fabbricazione di una girante o di un rotore a una o piu' giranti per turbopompa, comprendente una fase preliminare in cui viene preparato un pezzo comprendente almeno un disco corrispondente alla girante da ottenere, il quale viene poi collocato in una macchina ad elettroerosione della quale costituisce un elettrodo, caratterizzato dal fatto che detto disco viene portato con un movimento rototraslatorio attraverso un utensile costituente l'altro elettrodo, detto utensile essendo costituito da almeno una piastra nella quale sono praticati degli intagli radiali lungo almeno un arco di cerchio, al cui interno e' definita una zona cava nella quale sfociano detti intagli, di modo che tramite detto movimento rototraslatorio di detto disco attraverso detto utensile viene prodotta un'aletta della girante per ciascuno di detti intagli previsti in detto utens?le.

Un altro oggetto dell'invenzione cons?ste nel metodo per ottenere un'intera girante con una singola lavorazione in elettroerosione, metodo che e' caratterizzato dall'impiego di un utensile in cui gli intagli radiali sono praticati lungo un'intera corona circolare, cava al suo interno,

un ulteriore oggetto dell'invenzione consiste nel metodo per ottenere direttamente un rotore con una o piu' giranti a partire da uno o piu' dischi gi?' fissi all'albero del rotore, metodo che e' caratterizzato dal portare detti dischi con un movimento rototraslatorio attraverso uno o piu' utensili provvisti di intagli radiali come detto in precedenza.

una variante vantaggiosa di quest'ultimo metodo si ha quando albero e dischi costituiscono un semilavorato monolitico, cosi' da eliminare la fase di calettamento delle giranti sull'albero.

Si descriveranno ora alcune forme di attuazione preferenziali dell'invenzione, date a titolo di esempio illustrativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali: - la fig.1 e' una vista in pianta di un utensile impiegato nel metodo secondo l'invenzione;

- la fig.2 e' una vista prospettica schematica di una prima realizzazione del metodo secondo l'invenzione;

- la fig.3 e' una vista prospettica di una girante ottenuta con il metodo secondo l'invenzione;

- la fig.4 e' una vista in pianta di un'altra realizzazione dell'utensile impiegato nel metodo secondo l'invenzione;

- la fig.5 e' una vista prospettica schematica di una seconda realizzazione del metodo secondo l'invenzione;

- le figg? 6 e 7 sono viste laterali schematiche di due disposizioni di pezzo e utensile relative alla realizzazione di fig.5 del metodo secondo l'invenzione;

- le figg. 8 e 9 sono viste rispettivamente laterale ed in pianta, di un primo tipo di aletta di girante ottenuta con il metodo secondo l'invenzione;

- le figg.10 e 11 sono viste rispettivamente laterale e in pianta di un secondo tipo di aletta di girante ottenuta con il metodo secondo l'invenzione; e

- le figg.12 e 13 sono viste rispettivamente laterale ed in pianta di un terzo tipo di aletta di girante ottenuta con il metodo secondo l'invenzione.

Con riferimento alle figure 1 e 2, si e'schematizzato il metodo di ottenimento di una girante di rotore per pompe turbomolecolari mediante elettroerosione, indicando con l'utensile e con 2 il pezzo da lavorare. Entrambi questi elementi sono collocati in una macchina ad elettroerosione, che non e' stata rappresentata in quanto nota, della quale l'utensile costituisce un elettrodo ed il pezzo l'altro elettrodo. L'utensile e' costituito da una piastra 4 nella quale e' stata praticata una serie di intagli equidistanti 5 disposti radialmente lungo una corona circolare, e sfocianti verso il centro in un foro 7 della piastra. Il pezzo 2 da lavorare e' costituito da un disco metallico di dimensioni corrispondenti a quelle della girante che si desidera ottenere, calettato su un albero 3 o ricavato di pezzo con l'albero stesso. Il raggio del disco 2 e' uguale o minore della somma del raggio del foro 7 e della lunghezza dell'intaglio 5. L'albero 3 e' montato su una testa portapezzo che e' traslabile secondo i tre assi cartesiani ed e' inoltre girevole intorno all'asse Z, a controllo numerico. In alternativa, si pu?' mantenere fisso il pezzo e movimentare l'utensile 1, ottenendosi in ogni caso una rototraslazione relativa di pezzo ed utensile.

Combinando un moto relativo del pezzo secondo l'asse Z ed una sua rotazione di un angolo a intorno a tale asse, si ottiene un movimento rototraslatorio elicoidale che porta il pezzo ad attraversare l'utensile 1. in corrispondenza degli intagli 5 il disco 2 non viene eroso, mentre le parti di disco che si vengono a trovare di fronte alle zone 6 definite tra gli intagli stessi vengono asportate per il fenomeno della elettroerosione. Per ogni intaglio 5 viene pertanto prodotta una paletta della girante. La girante ottenuta viene mostrata schematicamente in fig.3. In corrispondenza del foro centrale 7 della piastra 4, il materiale del disco 2 non viene asportato, per cui si forma un disco 8, dal quale le palette 9 si estendono radialmente verso l'esterno. A causa dell'avanzamento rototraslatorio del pezzo 2 attraverso l'utensile 1, le palette 9 vengono formate svergolate. Vale a dire, l'angolo che esse formano sul disco 8, dal quale hanno origine, varia progressivamente procedendo in direzione radiale verso l'esterno, come s? discuter?' in relazione alle figure da 8 a 13. Con questo metodo e' possibile ottenere palette di spessore ridotto rispetto ai metodi di fabbricazione precedentemente noti.

La fig.4 mostra un utens?le costituito da una piastra 10 in cui sono praticati degli intagli radiali 5' lungo una semicirconferenza, intorno ad una rientranza semicircolare 12 praticata lungo un lato 13 della piastra 1. L'utensile rimane cosi' "aperto" e si presta all'esecuzione del metodo nel caso in cui sull'albero 3 sono calettati piu' dischi 2, oppure nel caso equivalente, ma di maggior interesse pratico, in cui l'albero 3 ed i dischi 2 costituiscono un semilavorato monolitico, ottenuto ad esempio per tornitura oppure fresatura di un cilindro metallico.

Con riferimento alle figure S, 6 e 7, il pezzo da lavorare e' costituito da un albero 3 formato con una serie di dischi 2a,2b..,2n, fissato ad una testa porta-pezzo della macchina ad elettroerosione. L'utensile e' costituito da una schiera di piastre 10a, 10b... 10n, realizzate come la piastra 10 di fig.4. Con una traslazione del pezzo secondo un asse ortogonale all'asse Z, i dischi 2a...2n vengono inseriti tra le piastre 10a. . .10n, come mostrato in fig.6. In fig.5 si e' rappresentata solo una di tali piastre, per semplicit? di illustrazione. Applicando al pezzo il movimento rototraslatorio, ogni disco 2 attraversa la piastra corrispondente 10, in modo che su ogni disco si formano meta' delle alette della girante, cio?' tutte quelle previste per una semicirconferenza del disco. La situazione e' rappresentata dalla fig.7, in cui si sono rappresentate le alette formate 9. Dopo di ci?' il pezzo viene ruotato di (180 - a) ? nello stesso senso di rotazione di a, o di (180 a) " in senso opposto, viene sottoposto ad un nuovo attraversamento rototraslatorio degli utensili muovendo il pezzo in sempre nella direzione dell'asse Z ma in senso opposto, e si ottiene la girante completa di tutte le alette. E' evidente che questo metodo di fabbricazione permette di ottenere un intero rotore di una turbopompa con una lavorazione di elettroerosione effettuata in soli due tempi, con gli utensili "aperti? delle figure da 4 a 7. In modo del tutto equivalente, e' possibile ottenere il rotore completo con una lavorazione unica impiegante utensili "chiusi? del tipo illustrato nelle figure 1 e 2, a condizione che questi si possano aprire in due parti, a lavorazione ultimata, allo scopo di poter estrarre il pezzo finito, che viene a trovarsi con l'albero 3 imprigionato nei fori 7 delle piastre 4. Con questo metodo si possono ottenere rotori con luci ridotte tra una girante e l'altra, e soprattutto ai possono ottenere rotori monolitici, evitando cosi' i problemi derivanti dal calettamento delle giranti sull'albero.

Le figure 8 e 9 sono rappresentazioni in vista laterale ed in pianta, rispettivamente, di un'aletta 9 ottenuta con il metodo della presente invenzione. In fig.8, 12 rappresenta il profilo della parte radialmente piu' interna dell'aletta 9, inclinato di una angolo ?1 rispetto all'orizzontale, mentre 13 rappresenta il profilo che l'aletta assume nella parte periferica, e che risulta inclinato di un angolo ?2 rispetto all'orizzontale. Lo svergolamento dell'aletta e'appunto la variazione di questo profilo lungo il raggio.

Questa caratteristica strutturale dell'aletta, che e' prodotta dal movimento rototraslatorio del pezzo attraverso l'uteneile, conferisce propriet?' vantaggiose alla girante, specie nel caso di rotori per pompe turbomolecolari, in quanto ottimizza il rapporto di compressione e la velocita' di pompaggio.

Regolando opportunamente le condizioni operative si possono inoltre ottenere alette in cui:

1) lo spessore varia da si all'interno ad s2 alla periferia, con s1>s2, ma rimane costante la sezione orizzontale della paletta stessa, quindi b1=b2, come mostrato nelle figure 8 e 9;

2) lo spessore e' costante, cio?' s1=s2, ma la sezione orizzontale e' crescente, quindi b1<b2 come mostrato nelle figure 10 e 11;

3) sia lo spessore s che la sezione orizzontale variano linearmente con il raggio dell'aletta, quindi s1<S2 e b1<b2, come mostrato nelle figure 12 e 13.

Altre soluzioni, non illustrate, permettono di avere alette rastremate verso l'esterno, cio?' robuste alla radice ed alleggerite alla periferia.

Si sono descritte alcune forme di attuazione preferenziale dell'invenzione, ma naturalmente essa e' suscettibile di numerose modifiche e varianti nell'ambito della medesima idea inventiva.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di fabbricazione di una girante o di un rotore a una o piu' giranti per turbopompa, comprendente una fase preliminare in cui viene preparato un pezzo comprendente almeno un disco (2) corrispondente alla girante da ottenere, il quale viene poi collocato in una macchina elettroerosione della quale costituisce un elettrodo, caratterizzato dal fatto che detto disco (2) viene portato con un movimento rototraslatorio attraverso un utensile (1) costituente l'altro elettrodo, detto utensile essendo costituito da almeno una piastra (4;10) nella quale sono praticati degli intagli radiali (5;5') lungo almeno un arco di cerchio, al cui interno e' definita una zona cava (7;12) nella quale sfociano detti intagli (5,5'), di modo che tramite detto movimento rototraslatorio di detto disco (2) attraverso detto utensile (1) viene prodotta un'aletta (9) della girante per ciascuno di detti intagli (5,5') previsti in detto utensile (1).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta zona cava (7;12) e' una zona circolare e detto disco (2) ha un raggio che e' minore o uguale alla somma del raggio di detta zona circolare e della lunghezza di detti intagli (5).
3. Metodo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto utensile - catodo (1) e' costituito da una piastra in cui detti intagli (5) sono praticati equidistanti lungo una corona circolare, e detta zona cava e' un foro circolare (7).
4. Metodo secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che detto utensile e' costituito da una piastra (10) in cui detti intagli (5*) sono praticati equidistanti lungo una semicirconferenza, e detta zona cava e' una rientranza semicircolare (12), praticata lungo un lato (13) della piastra stessa.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto pezzo e' costituito da un albero (3) portante una pluralit?' di dischi fissi (2a...2n), e dal fatto che detto utensile e' costituito da una pluralit?' di piastre (10a...10n), ciascuno di detti dischi (2a...2n) venendo operativamente inserito fra due di dette piastre (10a...l0n) contigue, contro le guali detti dischi (2a...2n) vengono portati con movimento rototraslatorio per l'ottenimento di una prima meta' delle alette (9) della girante, dopodich?' detto pezzo viene ruotato in modo da esporre verso l'utensile la parte non lavorata di detti dischi (2a...2n), e nuovamente portato con detta parte non lavorata verso dette piastre (10a...l0n) con movimento rototraslatorio nella stessa direzione ma senso inverso al precedente.
6. Metodo secondo le rivendicazioni 4 e 5, caratterizzato dal fatto che detto pezzo da sottoporre ad elettroerosione e' un semilavorato monolitico.
7. Rotore di turbopompa comprendente almeno una girante, caratterizzato dal fatto di essere formato da un pezzo monolitico di albero e giranti.
8. Rotore di turbopompa secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che dette giranti comprendono una schiera di alette (9) svergolate.
9. Rotore di turbopompa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette alette (9) ha sezione costante su un piano orizzontale e spessore variabile (s) con il raggio.
10. Rotore di turbopompa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette alette (9) ha spessore costante (e) e sezione su un piano orizzontale variabile con il raggio.
11. Rotore di turbopompa secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette alette (9) ha sia lo spessore (s) che la sezione su un piano orizzontale variabili con il raggio.