L’utilizzo di anelli O-ring per aumentare la stabilità dei cuscinetti ad aria

Figura 1 - Schematizzazione di profili cuscinetto diversi dal circolare, aventi l’obiettivo l’aumento della distribuzione di pressione dinamica e della soglia di instabilità (figure tratte da [1]).

Laddove i valori di rotazione eccedono di gran lunga le velocità limite dei cuscinetti volventi, i cuscinetti a fluido rappresentano l’unica soluzione. In particolare se si utilizza l’aria come lubrificante si ha l’ulteriore vantaggio dell’eco-compatibilità. Per ottenere velocità di rotazione sempre più elevate, occorre un’accurata progettazione guidata da una profonda conoscenza della fisica di tali componenti.

Metodi standard

Nell’ambito delle applicazioni a elevata velocità, i cuscinetti ad aria rappresentano una soluzione tecnica efficace che consente di ottenere velocità di rotazione molto spinte, ben al di sopra delle soglie massime compatibili con i cuscinetti a elementi volventi. Un problema che può però insorgere se il cuscinetto non è opportunamente progettato è l’instabilità del rotore, che in determinate situazioni può portare al contatto fra rotore e cuscinetto e quindi al danneggiamento degli stessi. Tipicamente esiste una determinata velocità di rotazione alla quale si ha la soglia di instabilità: per velocità inferiori a tale valore il comportamento è stabile, ovvero la vibrazione del rotore (il whirl) si mantiene entro certi limiti, per velocità superiori il comportamento è instabile, ovvero l’ampiezza del whirl aumenta nel tempo fino al contatto fra rotore e cuscinetto. Vi sono diverse possibilità per evitare tale problema e aumentare la soglia di instabilità.

Una prima possibilità consiste nell’aumentare la pressione di alimentazione dei cuscinetti (effetto aerostatico). Tale azione fa sì che la rigidezza del cuscinetto aumenti assieme alla soglia di instabilità. Come facilmente intuibile, però, non è possibile aumentare la pressione al di sopra di certi limiti dettati dalle caratteristiche degli impianti industriali di produzione dell’aria compressa.

Una seconda possibilità consiste nel disegnare opportunamente la geometria del cuscinetto in modo tale da ottimizzare l’effetto aerodinamico di generazione della pressione per effetto della rotazione stessa del rotore. Tale effetto si ottiene modificando il profilo del cuscinetto, che da circolare può diventare lobato (Figura 1a) o a lemon o a step (Figura 1b), oppure ancora introducendo una scanalatura assiale a pressione ambiente (Figura 1c). Tale scanalatura previene la generazione di una distribuzione di pressione responsabile della crescita incontrollata del whirl.

Figura 2 – Cuscinetto a pattini pivottanti (sopra) e cuscinetto foil (sotto).

Una terza possibilità consiste nell’utilizzare elementi mobili o cedevoli, che adattino la forma del cuscinetto al movimento del rotore. È il caso dei cuscinetti a pattini pivottanti, che possono ruotare attorno ad una cerniera (Figura 2 a sinistra), o dei cuscinetti a lamine o foil, la cui cedevolezza consente una variazione dinamica del meato fra rotore e statore (Figura 2 a destra). Ne risulta un aumento sia della capacità di carico del cuscinetto rispetto al caso di cuscinetti rigidi, sia della massima velocità raggiungibile in condizioni stabili.

Una quarta possibilità considera particolari scanalature sul rotore (herringbone) che grazie alla rotazione dello stesso creano un effetto dinamico di pompaggio dell’aria verso l’interno del cuscinetto (Figura 3). Questo effetto oltre a creare una capacità di carico nel cuscinetto e ne innalza anche la soglia di instabilità.

Figura 3 – Cuscinetto di tipo herringbone.

Un’ultima possibilità consiste nell’introdurre esternamente uno smorzamento tale da innalzare la soglia di instabilità. Un metodo efficace consiste nel montare i cuscinetti su anelli O-ring in materiale polimerico. Questo articolo descrive l’attività svolta in tale ambito presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Aerospaziale del Politecnico di Torino. Oltre ai temi riguardanti la caratterizzazione meccanica, lo studio descrive la trattazione teorica riguardante l’osservazione della stabilità e l’attività di test su un prototipo realizzato allo scopo di verificare i benefici introdotti dagli O-ring rispetto al caso della boccola montata rigidamente.

 

 

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