ITBO20120715A1 - Filtro, in particolare per un separatore a rotazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“FILTRO, IN PARTICOLARE PER UN SEPARATORE A ROTAZIONEâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un corpo filtrante, in particolare per un separatore aria/olio a rotazione in un motore a turbina.

Come à ̈ noto, nei motori a turbina aeronautici l’olio utilizzato per la lubrificazione dei cuscinetti e per il raffreddamento della trasmissione tende a miscelarsi con aria. L’olio utilizzato, tuttavia, deve essere recuperato e immesso nuovamente nel circuito idraulico del motore, al fine di limitare i consumi e per ridurre le sostanze inquinanti scaricate in atmosfera. Per ottenere la separazione dell'olio dall'aria possono essere usati vari dispositivi, sia di tipo statico, definiti da cicloni, sia di tipo rotante, denominati anche separatori a rotazione o “deoiler†. Questi ultimi generalmente sono definiti da maglie filtranti metalliche.

Solitamente entrambi i dispositivi vengono utilizzati, in modo da separare particelle di olio aventi diametri in intervalli dimensionali differenti. Di norma, il dispositivo a ciclone ha il compito di separare le gocce d'olio di dimensioni maggiori sospese in aria e di degassare l'olio dalle bolle più grandi di aria sospesa in olio. La tecnologia a ciclone, tuttavia, non à ̈ in grado di separare le gocce di olio più piccole e le bolle di aria più piccole. In genere, le bolle di aria più piccole disciolte nell’olio non generano inconvenienti rilevanti. Le gocce d’olio più piccole, invece, vengono separate e raccolte tramite il separatore a rotazione, disposto dopo il dispositivo a ciclone lungo il percorso del flusso della miscela aria-olio.

Il separatore a rotazione comprende un filtro di forma toroidale, il quale à ̈ montato su un rotore e ha un pacco di corpi anulari definiti, ciascuno, da una relativa maglia filtrante metallica. Il filtro, su una propria faccia, riceve in ingresso la miscela aria-olio, lascia passare l’aria verso l’asse del rotore e trattiene le particelle di olio nei pori della maglia filtrante metallica.

Nella maglia filtrante metallica, la rotazione ha la duplice funzione di:

- aumentare il numero di potenziali urti delle gocce di olio con gli elementi filtranti della maglia, determinando la coalescenza dell'olio sotto forma di film, il quale va a ricoprire tali elementi filtranti; - centrifugare il film d'olio verso la periferia esterna del filtro in modo da recuperare tale olio.

L’utilizzo del separatore a rotazione comporta una perdita di pressione aggiuntiva nell’impianto di aria compressa del motore a turbina. Tale aspetto diventa particolarmente critico quando la velocità di rotazione del motore e, quindi, del compressore à ̈ relativamente bassa. Infatti, in tali condizioni operative (condizioni di “idle†o “taxi†) anche la pressione dell'aria nelle tenute dei cuscinetti risulta bassa, con conseguente incapacità di ottenere la tenuta se la maglia filtrante metallica provoca una eccessiva contropressione. È quindi necessario progettare la struttura della maglia filtrante metallica in modo estremamente attento per ottenere un giusto compromesso tra perdita di pressione ed efficienza di separazione.

La domanda di brevetto avente numero di pubblicazione EP2156941A1, a nome della stessa richiedente, ed altri documenti di arte nota insegnano a produrre corpi filtranti tramite tecniche di produzione del tipo †a strati†("layer by layer"), indicate anche con il termine inglese “additive manufacturing", le quali impiegano un fascio di energia, ad esempio un fascio focalizzato di elettroni o un fascio focalizzato di luce laser, per ottenere la fusione e/o la sinterizzazione localizzata di strati successivi di polveri aventi la medesima composizione del prodotto finale da ottenere. Le zone da fondere sono stabilite in base ad un modello matematico tridimensionale che rappresenta il prodotto da realizzare e che à ̈ memorizzato in una unità elettronica configurata in modo da comandare il fascio di energia.

Queste tecniche sono note ad esempio come "Direct Laser Forming" (DLF), "Laser Engineered Net Shaping" (LENS), “Direct Metal Laser Sintering†(DMLS), “Selective Laser Melting†(SLM), o “Electron Beam Melting†(EBM).

Nelle tecniche dove à ̈ prevista la sinterizzazione, il fascio di energia riscalda la superficie esterna dei grani di polvere, in modo da fondere solamente tale superficie esterna, che va ad unirsi con quella dei grani adiacenti. In questo modo, i pori del filtro sono definiti dagli interstizi tra i grani di polvere uniti l’uno all’altro.

La domanda di brevetto EP2156941A1 fa invece riferimento ad una tecnica dove à ̈ prevista la fusione, o “melting†, delle polveri: le polveri hanno granulometria inferiore rispetto a quelle per la sinterizzazione ed i loro grani vengono completamente fusi. I pori del filtro sono definiti dalle parti di polvere che non vengono interessate dal fascio di energia. Pertanto, il modello matematico tridimensionale rappresenta non solo la forma esterna della maglia filtrante, ma anche la sua struttura porosa interna.

In particolare, il modello tridimensionale à ̈ generato definendo un modulo di base, che rappresenta una cella della maglia filtrante, e replicando il modulo di base sempre uguale fino a raggiungere la forma e le dimensioni corrispondenti, nel modello tridimensionale, a quelle del corpo filtrante da realizzare. Il documento EP2156941A1 indica di realizzare una struttura porosa a celle del tipo “diamond structure†o “a nido d’ape†.

Il procedimento descritto in EP2156941A1, quindi, consente di definire la geometria della maglia filtrante metallica per ottenere in modo relativamente preciso la porosità del filtro desiderata, anche in funzione delle differenti zone del filtro ed in funzione della perdita di pressione provocata complessivamente dal separatore a rotazione. Consente, inoltre, di rendere omogenea la struttura porosa della maglia filtrante e quindi bilanciare gli effetti della forza centrifuga ed avere il baricentro del filtro posizionato esattamente sull’asse del rotore.

Per di più, EP2156941A1 insegna a prevedere modelli matematici tridimensionali che integrano, insieme alla maglia filtrante, elementi realizzati in materiale pieno e disposti lungo gli spigoli esterni del filtro, in modo da avere elementi strutturali che supportano la maglia filtrante e rinforzano quindi il filtro.

È sentita l’esigenza di perfezionare le soluzioni note sopra descritte, al fine di massimizzare l'efficienza di cattura dell’olio e di limitare, nel contempo, la contropressione nell’impianto di aria compressa del motore a turbina.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un corpo filtrante, in particolare per un separatore a rotazione, il quale consenta di assolvere in maniera semplice ed economica all’esigenza sopra esposta.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un corpo filtrante , in particolare per un separatore a rotazione, come definito nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 Ã ̈ uno spaccato che mostra, in modo semplificato, un separatore aria/olio a rotazione in un motore a turbina, con un una preferita forma di attuazione del corpo filtrante secondo la presente invenzione;

- la figura 2 à ̈ una sezione trasversale schematica ed in scala ingrandita della maglia filtrante del corpo filtrante di figura 1, ottenuta secondo un piano di sezione che à ̈ ortogonale ad elementi filtranti allungati facenti parte di tale maglia filtrante;

- le figure 3 e 4 sono analoghe alla figura 2 e mostrano rispettivi esempi relativi a come può essere ottenuta la maglia filtrante mediante replicazione di una cella di base;

- le figure 5a-5c illustrano rispettive configurazioni degli elementi filtranti di figura 2;

- la figura 6 illustra, in sezione diametrale ed in modo schematico, il corpo filtrante di figura 1;

- la figura 7 mostra, in scala ingrandita, una variante della figura 6; e

- le figure 8 e 9 sono viste prospettiche del corpo filtrante di figura 6, con parti asportate per chiarezza per mettere in evidenza elementi strutturali del disco stesso.

In figura 1, il numero di riferimento 1 indica un separatore aria/olio a rotazione in un motore a turbina.

Il separatore 1 comprende un involucro 2 definente una camera 3 interna avente un ingresso 4, dal quale entra una miscela di aria e olio, in direzione sostanzialmente tangenziale rispetto ad un asse 5. Il separatore 1 comprende, inoltre, un rotore 6 (parzialmente illustrato), il quale si estende lungo l’asse 5 nella camera 3, à ̈ trascinato in rotazione attorno all’asse 5 in modo non illustrato, e definisce internamente una cavità assiale 7, comunicante con una uscita (non illustrata) per lo scarico di aria.

Il separatore 1 comprende, inoltre, un filtro 8, il quale à ̈ alloggiato nella camera 3, à ̈ supportato dal rotore 6 in posizione fissa e coassiale, ha forma toroidale e comprende una pluralità di corpi filtranti di forma anulare. Tali corpi sono indicati dal numero di riferimento 10, in genere sono denominati “dischi†, sono coassiali, sono appoggiati assialmente l’uno contro l’altro e sono vincolati l’uno all’altro tramite spine di trascinamento o perni di serraggio non illustrati per l’accoppiamento e la trasmissione della coppia di rotazione.

Nella figura 1, il filtro 8 comprende una gabbia 11, la quale supporta e contiene i dischi 10 ed à ̈ sagomata in modo da lasciare aperto un ingresso assiale per la miscela, un’uscita radiale esterna per l’olio ed una uscita radiale interna per l’aria. Tuttavia, secondo varianti non illustrate, la gabbia 11 potrebbe essere assente, e/o il filtro 8 potrebbe comprendere un unico disco 10.

Preferibilmente, nella camera 3 le fasi di olio e aria della miscela subiscono una prima grossolana separazione. Per effetto della differenza di pressione tra la camera 3 e la cavità assiale 7, la miscela entra frontalmente nel filtro 8. Considerando un singolo disco 10 del filtro 8 (illustrato parzialmente ed in sezione in figura 6), la miscela entra attraverso una faccia 11a assiale e/o attraverso una superficie 12 cilindrica esterna del disco 10. L’olio esce attraverso la superficie 12, e l’aria esce attraverso una superficie 13 cilindrica interna del disco 10. Dalla parte opposta alla faccia 11a, il disco 10 ha una faccia 11b, anch’essa permeabile alla miscela.

I dischi 10 comprendono rispettive maglie filtranti 14, definenti strutture porose che separano le due fasi della miscela. In particolare, la rotazione del filtro 8: - aumenta il numero di potenziali urti delle gocce di olio con gli elementi o fili delle maglie filtranti 14 (come verrà spiegato anche nel seguito) e quindi determina la coalescenza dell'olio all’interno dei pori, ad esempio sotto forma di film che va a ricoprire tali elementi o fili;

- centrifuga l'olio catturato nei pori e lo espelle verso l’esterno, a causa dell’inerzia dell’olio stesso.

Ancora con riferimento alla figura 1, l’olio centrifugato esce attraverso la superficie 12, come accennato sopra, e si deposita in una porzione 16 dell’involucro 2. La porzione 16 ha una uscita 17, attraverso la quale l’olio fluisce per essere raccolto in un serbatoio (non illustrato) facente parte di un circuito idraulico del motore a turbina.

Nel contempo, l’aria fluisce nella cavità assiale 7 attraverso alcune aperture 18 radiali realizzate sul rotore 6, e dalla cavità assiale 7 viene poi scaricata fuori bordo in atmosfera.

La trattazione che segue fa riferimento, per semplicità ad uno solo dei dischi 10, dal momento che i dischi 10 sono sostanzialmente uguali l’uno all’altro. Preferibilmente, come mostrato nella sezione diametrale schematica di figura 6 e come verrà spiegato in dettaglio nel seguito, il disco 10 comprende un telaio 20 che à ̈ costituito da elementi strutturali in materiale pieno (ossia non poroso) ed à ̈ solidale con la maglia filtrante 14 (ossia realizzato in un sol pezzo con la maglia filtrante 14) in modo da supportare gli elementi o fili della maglia filtrante 14.

Il materiale del disco 10 à ̈ metallico ed à ̈ definito, ad esempio, da una lega di titanio o una lega di Nickel-Cromo.

Per quanto riguarda il procedimento di formatura e la macchina per fabbricare il disco 10, corrispondono a quanto indicato nella domanda di brevetto EP2156941A1, la cui descrizione à ̈ qui incorporata almeno per le parti necessarie alla comprensione e realizzazione della presente invenzione.

In sintesi, il disco 10 viene realizzato tramite tecniche di produzione del tipo †a strati†("layer by layer"), indicate anche con il termine inglese “additive manufacturing", le quali impiegano un fascio di energia, ad esempio un fascio focalizzato di elettroni o un fascio focalizzato di luce laser, per fondere (“melt†) in modo localizzato strati successivi di polveri aventi la medesima composizione del prodotto finale da ottenere. In genere, le polveri hanno una granulometria compresa nell'intervallo tra 20 e 150 µm.

La scansione del fascio di energia su ciascuno strato di polveri viene comandata da una unità elettronica di comando, in cui à ̈ memorizzato un modello matematico tridimensionale. Tale modello rappresenta la forma, le dimensioni e la struttura porosa interna desiderata per il disco 10 e può essere generato, ad esempio, mediante un programma di progettazione assistita da computer (CAD). Ciascuno strato di polveri viene fuso in zone localizzate, le quali sono selezionate dall’unità elettronica di comando sulla base dei dati del modello matematico tridimensionale. Per ciascuno strato, la parte fusa si “amalgama†con la parte già formata sottostante, facente parte dello strato precedente. Progressivamente, strato dopo strato, l’altezza del prodotto aumenta fino ad ottenere il prodotto finito finale. Nelle zone non fuse in ciascuno strato, rimangono grani di polvere residua. Gli spazi occupati da tale polvere residua vengono liberati alla fine del procedimento di formatura e vanno a definire i pori della maglia filtrante 14.

Con riferimento a quanto schematicamente illustrato nelle figure da 2 a 4, la maglia filtrante 14 ha una struttura porosa a celle, costituita dalla replicazione di una cella di base 21. Pertanto, la parte del modello matematico tridimensionale che definisce la maglia filtrante 14 Ã ̈ generata definendo un modulo di base, che rappresenta la cella di base 21, e replicando tale modulo di base fino a raggiungere la forma e le dimensioni corrispondenti, nel modello, a quelle della maglia filtrante 14 o di un settore della maglia filtrante 14.

Grazie alla replicazione del modulo di base, le dimensioni e la forma delle celle della maglia filtrante 14 sono sostanzialmente identiche l’una all’altra per cui la distribuzione dei pori corrisponde a quanto desiderato a progetto e risulta omogenea.

Il modulo di base del modello matematico tridimensionale comprende una pluralità di elementi filiformi che corrispondono a rispettivi elementi filtranti allungati della cella di base 21. Qui e nel seguito gli elementi filtranti allungati della maglia filtrante 14 vengono indicati con il termine “fili†(schematizzati con linee o con cilindri nelle figure 5a, 5b, 5c e 6).

La porosità viene impostata sostanzialmente sul modello matematico tridimensionale, per ottenere il compromesso desiderato tra diverse esigenze (avere buone proprietà filtranti; evitare contropressioni eccessive; facilitare l’evacuazione delle polveri residue dai pori al termine del procedimento di formatura; ottenere un filtro leggero, ecc…).

La configurazione del modulo di base e, di conseguenza, la configurazione della cella di base 21 sono scelti in modo da ottimizzare la cattura dell’olio da parte della maglia filtrante 14.

I fili 22 della cella di base 21 si estendono lungo rispettivi assi 23 che sono paralleli. Come visibile nelle figure 5a-5c, gli assi 23 possono essere rettilinei, curvi o essere definiti da linee spezzate. Gli assi 23 vengono orientati di modo che i fili 22 siano trasversali ad una direzione media di ingresso della miscela aria-olio nel disco 10.

La sezione trasversale di ciascun filo 22 à ̈ sostanzialmente costante lungo il relativo asse 23. Inoltre, la sezione trasversale degli elementi filiformi nel modello matematico tridimensionale viene impostata uguale per tutti gli elementi filiformi, per cui anche i fili 22 hanno sezione trasversale identica l’uno all’altro.

Come mostrato in figura 2, i fili 22 della cella di base 21 sono compresi tra tre e sei, di cui almeno uno intermedio (22a) e due di estremità (22b,22d), disposti da parti opposte del filo intermedio. Inoltre, sezionando la cella di base 21 con un qualsiasi piano P (corrispondente al piano di figura 2) ortogonale agli assi 23, le tracce degli assi 23 sono disposte lungo due rette B e C, che sono incidenti in corrispondenza della traccia dell’asse 23 del filo intermedio 22a in modo da formare sostanzialmente una L, o i lati di un triangolo. In altre parole, le rette B e C congiungono la traccia di ciascun asse 23 con quella dell’asse 23 adiacente nella cella di base 21. Se il numero dei fili 22 della cella di base 21 à ̈ maggiore o uguale a quattro, come nell’esempio illustrato, la retta B interseca, oltre al filo intermedio 22a, il filo di estremità 22b ed almeno un ulteriore filo intermedio 22c, che à ̈ disposto tra i fili 22a e 22b. La retta C, invece, definisce il lato minore della L o del triangolo, in quanto interseca solamente il filo intermedio 22a ed il filo di estremità 22d.

L’angolo A di incidenza tra le rette B e C à ̈ compreso tra circa 90° e 160°.

Inoltre, la distanza o “gap†S misurato lungo le rette B e C tra coppie di fili adiacenti (22a-22d, 22a-22c, 22b-22c) à ̈ uguale, e preferibilmente à ̈ compreso tra circa 0,1 e 3 volte la dimensione massima della sezione trasversale dei fili 22a,22b,22c,22d.

Questa configurazione assegna una posizione relativa dei fili 22 che consente di intercettare i fili 22 con le scie della miscela aria-olio, provocate dai fili 22 disposti a monte lungo la direzione del flusso della miscela. Gli intervalli assegnati ai parametri dimensionali e di orientamento della cella di base 21 consentono di avere margine per definire la corretta interazione tra le scie e gli ostacoli e quindi l’ottimale efficienza di cattura, in funzione delle effettive condizioni operative.

Sempre con riferimento alla figura 2, misurando le dimensioni D1 e D2 della sezione trasversale dei fili 22 lungo due qualsiasi direzioni che sono ortogonali e giacciono sul piano P, ciascuna di tali dimensioni D1, D2 à ̈ preferibilmente compresa tra circa 0,1 e 0,8 mm. Anche tale intervallo di valori consente di ottimizzare l’efficienza di cattura dell’olio, in quanto l’efficienza dipende dall’ingombro degli ostacoli che la miscela incontra nella maglia filtrante 14. In particolare, la forma della sezione trasversale à ̈ circolare. Tuttavia, altre forme potrebbero essere utilizzate (ellittica, poligonale), al fine di ottimizzare la fluidodinamica del flusso della miscela attorno ai fili 22.

Come accennato sopra, il modulo di base, che rappresenta la cella di base 21 nel modello matematico tridimensionale, à ̈ ripetuto fino a raggiungere una estensione desiderata, corrispondente a quelle dell’intera maglia filtrante 14 oppure a quella di un settore o spicchio della maglia filtrante 14. La replicazione avviene lungo almeno due direzioni di replicazione trasversali. Considerando le figure 3 e 4, la struttura porosa risulta costituita da una pluralità di celle ottenute dalla replicazione della cella di base 21 lungo una direzione F ed una direzione G, non necessariamente rettilinee, che sono trasversali e giacciono sul piano P.

Preferibilmente, la direzione F à ̈ sostanzialmente tangenziale o sostanzialmente circonferenziale rispetto all’asse 5. La cella di base 21 à ̈ posizionata in modo da formare un qualsiasi angolo tra la direzione F e la retta C (ossia un angolo compreso tra 0° e 180°).

Nel caso di figura 3, le direzioni F e G sono definite da rispettivi fasci di rette, che formano un angolo di incidenza compreso tra circa 30° e 150°. In questo caso, la replicazione della cella di base 21 occupa solamente un settore della maglia filtrante 14. La struttura porosa della restante parte della maglia filtrante à ̈ definita da una rotazione di un passo angolare prefissato attorno all’asse 5 di tale settore.

Nel caso di figura 4, invece, la direzione F Ã ̈ definita da cerchi concentrici, il cui centro coincide con l'intersezione dell'asse 5 con il piano P. La direzione G, invece, Ã ̈ definita da un fascio di curve generate da una curva di base (preferibilmente una retta radiale) ripetuta con un determinato passo angolare intorno al centro sopra menzionato.

Con questa configurazione di tipo assial-simmetrico, la dimensione dei pori aumenta con l’aumentare del diametro del disco 10. Pertanto, nelle parti radialmente più esterne l’olio ha più facilità ad uscire dal disco 10. Nelle parti radialmente più interne, invece, gli ostacoli definiti dai fili 22 sono più fitti e tendono ad aumentare l’effetto di separazione aria-olio.

Il passo di replicazione della cella di base 21 lungo le due direzioni F e G à ̈ stabilito in modo da posizionare le celle in base alle direzioni di avanzamento del flusso della miscela (considerate come direzione media o come direzioni in zone localizzate) ed ottimizzare l’interazione delle scie della miscela con gli ostacoli definiti dai fili 22.

Ad esempio, la distanza o gap T tra due celle successive lungo la direzione F (fig. 3) Ã ̈ compreso tra circa 0,1 e 3 volte la dimensione massima della sezione trasversale dei fili 22 (il passo di replicazione lungo la direzione F Ã ̈ uguale alla somma del gap T e della dimensione del filo 22 lungo la medesima direzione F).

Più in generale, il passo e gli altri parametri di replicazione consentono di ottimizzare la geometria della struttura porosa della maglia filtrante 14 in base alle condizioni operative del disco 10, ossia di ottimizzare la posizione degli ostacoli contro cui si imbatte la miscela in funzione della direzione del flusso locale della miscela stessa. Inoltre, la struttura porosa può essere disegnata in modo dedicato per soddisfare requisiti specifici di una data applicazione, mentre le geometrie delle maglie filtranti dell’arte nota non possono essere ottimizzate o adattate, a meno di un ristretto numero di parametri.

Tornando alle figure da 5a a 5c, anche l’orientamento degli assi 23 nello spazio dipende dall'applicazione specifica ed à ̈ impostato in modo da ottimizzare l'angolo di inclinazione degli ostacoli contro i quali si imbatte la miscela, in funzione della direzione di ingresso della miscela nel disco 10.

Tipicamente, se il flusso della miscela entra in direzione sostanzialmente radiale nel disco 10, gli assi 23 della cella di base 21 sono paralleli all’asse 5 (fig. 5b).

Se il flusso della miscela entra inclinato rispetto alla direzione radiale, sezionando il disco 10 con un piano di sezione diametrale (fig. 5a, 5c e 6) gli assi 23 dei fili 22 formano un angolo di inclinazione Z compreso tra pochi gradi e 50° rispetto all’asse 5 in corrispondenza della faccia 11a.

Indipendentemente dall’angolo di inclinazione rispetto all’asse 5 e dalla eventuale curvatura degli assi 23, la configurazione parallela dei fili 22, a partire dalla faccia 11a, non ostacola l’ingresso della miscela ed aiuta l'evacuazione radiale verso l’esterno dell'olio in esercizio. Inoltre, la configurazione parallela dei fili 22 semplifica notevolmente le operazioni di evacuazione delle polveri residue al termine del procedimento di formatura. Tali vantaggi sono amplificati dal fatto che i fili 22 si estendono con continuità dalla faccia 11a alla faccia 11b, senza elementi filtranti intermedi. Secondo varianti non illustrate, la maglia filtrante 14 potrebbe comprendere reticoli filtranti addizionali che sono sostanzialmente piani, si estendono lungo le facce 11a e/o 11b e sono realizzati in un sol pezzo con gli altri elementi del disco 10.

Con riferimento alle figure 6, 8 e 9, per quanto riguarda il telaio 20, quest’ultimo comprende una struttura o elemento 31 periferico esterno, il quale à ̈ disposto lungo la superficie 12 e definisce almeno una finestra 32 per consentire all’olio di uscire radialmente verso la porzione 16. Analogamente, il telaio 20 comprende una struttura o elemento 33 periferico interno, il quale à ̈ disposto lungo la superficie 13 e definisce almeno una finestra 34 per consentire all’aria di fluire nella cavità assiale 7 attraverso le aperture 18.

In particolare, gli elementi 31 e 33 comprendono rispettive coppie di anelli 35 e 36, disposti lungo gli spigoli circolari del disco 10; e rispettive pluralità di traverse 37,38, le quali sono distanziate l’una dall’altra lungo la circonferenza esterna e, rispettivamente, la circonferenza interna del disco 10. Le traverse 37 uniscono gli anelli 35 l’uno all’altro e separano l’una dall’altra le finestre 32. Analogamente, le traverse 38 uniscono gli anelli 36 l’uno all’altro e separano l’una dall’altra le finestre 34.

Gli anelli 35,36 vengono anche denominati “cerchiaggi†e hanno la funzione di supportare i carichi inerziali dovuti alla rotazione. In altre parole, gli anelli 35,36 irrigidiscono il disco 10 in modo da limitare le deformazioni della maglia filtrante 14 sotto carico, per cui garantiscono l’integrità strutturale del disco 10.

La sezione trasversale degli anelli 35 e 36 può essere un triangolo, un trapezio, un cerchio, un ellisse o un rettangolo, e ha un ingombro assiale S1 ed un ingombro radiale S2, con S1 ed S2 compresi ciascuno tra circa 1 e 5 mm. La forma e le dimensioni della sezione trasversale degli anelli 35,36 vengono impostate in modo da ottimizzare l’area di passaggio e il percorso dei flussi per l’olio in corrispondenza della circonferenza esterna e, rispettivamente, per l’aria in corrispondenza della circonferenza interna. La forma e le dimensioni della sezione trasversale degli anelli 35,36 vengono inoltre impostate in modo da integrare gli anelli 35,36 con la posizione e l’orientamento dei fili 22.

Come visibile nelle figure 8 e 9, preferibilmente le finestre 32 e 34 sono impegnate da rispettivi reticoli 39, 40, i quali sono realizzati in un sol pezzo con la maglia filtrante 14 ed il telaio 20. I reticoli 39,40 si estendono sostanzialmente lungo la superficie 12 e, rispettivamente, la superficie 13 e sono costituiti da elementi allungati o filiformi non illustrati, che sono filtranti, ossia hanno una sezione trasversale con dimensioni sostanzialmente uguali a quelle indicate per i fili 22 (D1,D2).

Gli elementi allungati filtranti dei reticoli 39,40 hanno posizioni tali da intersecare quei fili 22 che terminano in corrispondenza delle finestre 32,34, in modo da supportare le estremità di tali fili 22. Gli elementi allungati filtranti di ciascun reticolo 39,40 sono paralleli l’uno all’altro.

Oltre agli elementi 31 e 33, in generale il telaio 20 comprende almeno un elemento disposto in posizione radiale intermedia tra le superfici 12 e 13.

In particolare, il telaio 20 comprende una pluralità di elementi definiti da travi 44, che si estendono in direzione circonferenziale o tangenziale rispetto all’asse 5 e, insieme agli anelli 35 e 36, irrigidiscono il disco 10 e supportano i carichi inerziali dovuti alla rotazione per garantire l’integrità strutturale del disco 10 e limitare le deformazioni sotto carico della maglia filtrante 14.

Come visibile nella sezione diametrale di figura 6, le travi 44 hanno anche la funzione di supportare i fili 22. In particolare, le travi 44 sono disposte sostanzialmente lungo le facce 11a,11b e supportano le estremità dei fili 22 della maglia filtrante 14. In particolare, le travi 44 hanno una sezione trasversale appiattita, uguale tra loro, in modo da definire rispettivi deflettori che tendono a guidare il flusso medio, o macro-flusso, della miscela aria-olio che passa attraverso le facce 11a,11b. Le sezioni trasversali delle travi 44 sono allungate lungo direzioni N che, considerando un qualsiasi piano di sezione diametrale, sono parallele tra loro e, preferibilmente, non sono ortogonali alle facce 11a,11b. In particolare, l’angolo di inclinazione M della direzione N rispetto all’asse 5 à ̈ uguale all’angolo di inclinazione Z dei fili 22. Nella variante mostrata nella sezione diametrale di figura 7, invece, gli angoli di inclinazione M ed Z sono diversi.

L'angolo di inclinazione M Ã ̈ compreso tra circa 0° e 75° e viene impostato in modo da ottenere la corretta direzione della miscela rispetto alla maglia filtrante 14 in funzione delle condizioni operative del filtro 8.

In particolare, ogni trave 44 ha due fianchi 46,47, l’uno radialmente esterno e l’altro radialmente interno, che sono sostanzialmente paralleli e definiscono la direzione N. Ogni trave 44 ha, inoltre, due basi 48,49 di estensione minore rispetto ai fianchi 46,47: la base 48 à ̈ rivolta assialmente verso l’esterno e non supporta alcun filo 22; la base 49, invece, à ̈ rivolta assialmente verso l’interno del disco 10.

Con riferimento alla figura 9, per le travi 44 disposte lungo la faccia 11b, l’angolo di inclinazione M à ̈ tale da orientare le basi 49 verso l’asse 5; per le travi 44 disposte lungo la faccia 11a, invece, l’angolo di inclinazione M à ̈ tale da orientare le basi 49 verso la superficie 12. Pertanto, i deflettori definiti dalle travi 44 ostacolano il moto radiale centripeto della miscela e aiutano il moto centrifugo dell'olio agevolandone l’uscita dal filtro 8.

Come mostrato in figura 6, ogni trave 44, in direzione radiale, à ̈ disposta tra due serie di fili 22’ e 22’’ ed à ̈ sostanzialmente allineata con una serie di fili 22’’’. La base 49 supporta direttamente le porzioni terminali 50 dei fili 22’’’, ossia le porzioni 50 sono accoppiate di testa alla base 49, per cui i fili 22’’’ si estendono a partire dalla base 49 verso la faccia assiale opposta del disco 10.

I fianchi 46,47 supportano le porzioni terminali dei fili 22’ e, rispettivamente, 22’’ tramite ponti 53 che sono trasversali alle porzioni terminali dei fili 22 ed ai fianchi 46,47. I ponti 53 consentono di ottenere un ottimo compromesso tra peso e caratteristiche di filtraggio della maglia filtrante 14. Inoltre, il sistema di unione sfrutta al massimo le potenzialità di supporto delle travi 44, in quanto utilizza sia la base 49 di ciascuna trave 44 sia i suoi fianchi 46,47 per unire gruppi di fili 22 alla trave 44 stessa.

Quando gli angoli di inclinazione Z ed M sono diversi, come in figura 7, uno dei fianchi 46,47 di ciascuna trave 44 supporta direttamente i fili 22’’, senza ponti 53, mentre l’altro dei fianchi 46,47 à ̈ provvisto di ponti 53.

La sezione trasversale delle travi 44 può essere circolare, ellittica, trapezoidale, rettangolare, e viene impostata in modo da ottimizzare le condizioni fluidodinamiche locali della miscela. Nel caso di sezione trasversale allungata, ortogonalmente alla direzione N l’ingombro T2 di ciascuna trave 44 à ̈ dello stesso ordine di grandezza della dimensione dei fili 22, ossia à ̈ compreso tra circa 0,1 mm e 1 mm; parallelamente alla direzione N l’ingombro T1 à ̈ compreso tra circa 1 mm e 15 mm (fig. 7).

Ancora con riferimento alle figure 8 e 9, il telaio 20 comprende, inoltre, coppie di elementi 60,61, che si estendono in direzioni sostanzialmente radiali attraverso la maglia filtrante 14. Preferibilmente, gli elementi 60,61 sono disposti lungo le facce 11a,11b, in modo da intersecare le travi 44, e preferibilmente hanno un ingombro assiale sostanzialmente uguale a quello delle travi 44. Gli elementi 60,61 hanno la duplice funzione di trasferire i carichi centrifughi dalle travi 44 verso gli anelli 35,36 e di agire come pale radiali per espellere l'olio e per gestire il campo di moto fluidodinamico della miscela all'interno del disco 10.

Le coppie di elementi 60 sono distanziate l’una dall’altra attorno all’asse 5 di un angolo costante, per cui ciascuna coppia di elementi 60 à ̈ disposta, in direzione circonferenziale, tra due settori adiacenti della maglia filtrante 14. Inoltre, le coppie di elementi 60 si estendono radialmente per tutto il disco 10 e, vantaggiosamente, terminano radialmente in corrispondenza delle traverse 37,38, per cui ciascuna coppia di elementi 60 forma, insieme con una traversa 37 ed una traversa 38, una relativa cornice 62 anulare rettangolare (fig. 8).

Le coppie di elementi 61 sono intercalate alle coppie di elementi 60 attorno all’asse 5. In particolare, ciascuna coppia di elementi 61 à ̈ disposta angolarmente in corrispondenza della metà tra due cornici 62 adiacenti. Le coppie di elementi 61 si estendono solamente in una porzione esterna del disco 10 e terminano radialmente verso l’esterno in corrispondenza degli anelli 35, e radialmente verso l’interno in corrispondenza di rispettive traverse 64 che sono parallele all’asse 5 e sono disposte in posizione radiale intermedia tra le superfici 12 e 13. Pertanto, ciascuna coppia di elementi 61 e la corrispondente traversa 64 formano una relativa cornice 65 ad U (fig. 9).

Come per gli altri componenti del telaio 20, anche gli elementi 60,61 irrigidiscono il disco 10 per limitare le deformazioni sotto carico e per garantire l’integrità strutturale del disco 10.

Inoltre, gli elementi 60,61 hanno una sezione trasversale appiattita, uguale tra loro, ed allungata in direzione parallela all’asse 5, in modo da definire rispettive pale radiali, come accennato sopra, per migliorare l’espulsione di olio radialmente verso l’esterno. La sezione trasversale può essere sagomata/dimensionata in modo da regolare le condizioni fluidodinamiche della miscela all'interno del disco 10. Gli elementi 60,61 possono generare un cosiddetto effetto girante, per ottimizzare la velocità locale della miscela e migliorare l'interazione della miscela stessa con i fili 22. Preferibilmente, gli elementi 60,61 hanno rispettive pluralità di risalti 63, che sporgono in direzione parallela all’asse 5 verso l’interno della maglia filtrante 14 rispetto alla restante parte degli elementi 60,61 e, per ciascun elemento 60,61 sono distanziati radialmente l’uno dall’altro.

Nell’esempio illustrato, le sezioni trasversali degli elementi 60,61 sono rettangolari con base minore (in direzione tangenziale) compresa tra circa 0,1 e 1 mm e base maggiore (in direzione assiale) compresa circa tra 1 e 10 mm. Tuttavia, la sezione trasversale potrebbe essere diversa, ad esempio circolare o ellittica, per ottimizzare le condizioni fluidodinamiche locali.

Le cornici 62,65 definiscono rispettive aperture corrispondenti alle sezioni di passaggio per la miscela in direzione tangenziale. Preferibilmente, tali aperture sono impegnate da reticoli 66,67, i quali sono realizzati in un sol pezzo con la maglia filtrante 14 ed il telaio 20, sono sostanzialmente piani e si estendono in direzione radiale.

I reticoli 66,67 sono costituiti da elementi allungati o filiformi (non illustrati) che sono filtranti, ossia definiscono ostacoli per separare le fasi olio–aria della miscela. In altre parole, gli elementi allungati filtranti dei reticoli 66,67 hanno una sezione trasversale con dimensioni sostanzialmente pari ai valori D1 e D2 dei fili 22. Gli elementi allungati filtranti dei reticoli 66,67 sono disposti in posizioni tali da intersecare quei fili 22 che si estendono attraverso le aperture delle cornici 62,65. In questo modo, Gli elementi allungati filtranti dei reticoli 66,67 sono uniti a tali fili 22 e cooperano con il telaio 20 nel supporto della maglia filtrante 14. Come per i reticoli 39 e 40, gli elementi allungati filtranti dei reticoli 66,67 sono paralleli l’uno all’altro.

Con riferimento alla figura 8, il telaio 20 comprende una boccola 70, la quale si estende dalla faccia 11a alla faccia 11b e definisce una sede 71 cilindrica parallela all’asse 5. La boccola 70 definisce un elemento di interfaccia per accoppiare perni di serraggio, spine di trascinamento o dispositivi similari, che consentono di impacchettare assialmente e/o accoppiare i vari dischi 10, impedendo così rotazioni relative tra i vari dischi 10 e trasmettendo la coppia resistente di ciascun disco 10 al resto del filtro 8.

Da quanto precede appare evidente come la configurazione parallela dei fili 22 consente di disporre i fili 22 stessi trasversalmente alla direzione di ingresso della miscela per ottimizzare l’effetto di separazione delle fasi della miscela. Nel contempo, tale configurazione aiuta l'evacuazione dell'olio e semplifica notevolmente le operazioni di evacuazione delle polveri residue al termine del procedimento di formatura.

La distribuzione parallela dei fili 22, per di più, consente di supportare le estremità dei fili 22 tramite le travi 44 ed eventualmente tramite i reticoli 39,40,66,67 in modo relativamente semplice, senza compromettere l’omogeneità della maglia filtrante 14 e senza introdurre contropressioni rilevanti in ingresso al disco 10 ed all’interno della maglia filtrante 14.

Nel contempo, à ̈ possibile configurare la posizione e le dimensioni degli ostacoli della maglia filtrante 14, entro certi limiti, in modo da realizzare delle zone più o meno fitte, o con ostacoli orientati in modo opportuno in funzione di condizioni operative specifiche.

Essendo realizzato tramite tecnologie del tipo “layer by layer†, il disco 10 à ̈ bilanciato e può essere progettato in modo da essere relativamente leggero, grazie al fatto che la struttura porosa viene impostata in modo desiderato e predefinito tramite un modello tridimensionale a celle. Inoltre, il disco 10 ha struttura porosa e qualità costanti, indipendentemente dalla complessità della forma.

Inoltre, il disco 10 integra, in un unico pezzo, una palettatura con la maglia filtrante metallica e quindi consente di migliorare la separazione aria-olio e/o ridurre la perdita di pressione. In particolare, il telaio 20 può essere conformato in modo da guidare il percorso della miscela in relazione all’orientamento degli assi 23 dei fili 22 per massimizzarne l'efficienza di separazione. In altre parole, alcuni elementi del telaio 20 possono essere progettati e dimensionati in modo da svolgere non solo una funzione di irrigidimento e di supporto della maglia filtrante 14, ma anche una funzione fluidodinamica per il flusso della miscela aria-olio, dal momento che sono disposti in posizione radiale intermedia tra le superfici 12 e 13, dove passa la miscela aria-olio, e hanno forma di deflettori o di palettature.

Inoltre, gli elementi pieni e massivi del telaio 20 possono sostituire la gabbia 11, con vantaggi in termini di peso e facilità di realizzazione e montaggio, in quanto integrano elementi di interfaccia con gli altri componenti del filtro 8.

Altri vantaggi sono poi evidenti dalle caratteristiche sopra descritte.

Risulta infine chiaro che alla maglia filtrante 14 qui descritta ed illustrata possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, la maglia filtrante 14 potrebbe essere utilizzata per formare porzioni di filtro, ad esempio per formare settori, che poi vengono assemblati tra loro, e/o essere utilizzata in campi diversi da quello aeronautico, ad esempio in separatori a rotazione in impianti industriali o in turbine per propulsori marini e per generatori elettrici.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Corpo filtrante (10), in particolare per un separatore a rotazione, il corpo filtrante estendendosi attorno ad un asse (5), avendo una prima faccia assiale (11a) ed una seconda faccia assiale (11b) opposta a detta prima faccia assiale (11a), e comprendendo: - una maglia filtrante (14) costituita da fili (22) definenti tra loro una pluralità di pori; - un telaio (20) definito da elementi pieni non porosi, supportante la detta maglia filtrante (14) e realizzato in un sol pezzo con detta maglia filtrante (14); caratterizzato dal fatto che, considerando sezioni diametrali del detto corpo filtrante, almeno parte di detti fili (22) si estendono a partire da detta prima faccia assiale (11a) lungo rispettivi assi longitudinali (23), che sono paralleli. 2.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti assi longitudinali (23) formano un angolo di inclinazione (Z) compreso tra circa 0° e 50° rispetto a detto asse (5) in corrispondenza di detta prima faccia assiale (11a). 3.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che almeno parte di detti fili (22) si estendono fino sostanzialmente a detta seconda faccia assiale (11b) con continuità, senza ulteriori elementi filtranti intermedi tra dette prima e seconda faccia assiale (11a,11b). 4.- Corpo filtrante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto telaio (20) comprende una pluralità di travi (44), che si estendono in direzione circonferenziale o tangenziale rispetto a detto asse (5) e supportano almeno parte di detti fili (22). 5.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che dette travi (44) sono disposte sostanzialmente lungo le dette prima e seconda faccia assiale (11a,11b) e supportano le estremità dei detti fili (22). 6.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che dette travi (44) hanno una medesima sezione trasversale, che à ̈ allungata parallelamente ad una direzione avente un angolo di inclinazione (M) compreso tra circa 0° e 75° rispetto a detto asse (5), considerando un qualsiasi piano di sezione diametrale. 7.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che gli angoli di inclinazione (Z,M) dei detti fili e delle dette travi (44) sono uguali. 8.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzata dal fatto che ciascuna detta trave (44) ha due facce (46,47) sostanzialmente parallele a detta direzione, in detto piano di sezione diametrale; e dal fatto che ciascuna detta trave (44) supporta le estremità di tre serie di fili; due di dette serie di fili (22’,22’) essendo supportate, rispettivamente, dalle dette facce (46,47); l’altra di dette serie di fili (22’’’) essendo sostanzialmente allineata alla trave (44). 9.- Corpo filtrante secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto di comprendere una pluralità di ponti trasversali (53), che collegano le estremità di almeno una di dette serie di fili al corrispondente detto fianco (46,47). 10.- Corpo filtrante secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di avere una superficie cilindrica esterna (12) ed una superficie cilindrica interna (13) provviste di finestre (32,34) impegnate da rispettivi reticoli (39,40) costituiti da elementi filtranti che supportano le estremità di detti fili (22). 11.- Separatore a rotazione comprendente: - un filtro (8) di forma toroidale, rotante attorno ad un asse (5) e comprendente almeno un corpo filtrante (10) realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti; - una camera (3) alloggiante detto filtro (8) ed avente un ingresso (4) per ricevere, in uso, una miscela aria-olio ed un’uscita per fare defluire, in uso, l’olio separato da detto filtro (8); detti assi longitudinali (23) essendo orientati di modo che i detti fili (22) siano trasversali ad una direzione media di ingresso della miscela aria-olio nel detto corpo filtrante (10).