Progettino dinamica dei rotori

Università degli Studi di Firenze

Scuola di Ingegneria

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Corso di Dinamica dei Rotori

Titolo della ricerca bibliografica:

“I cuscinetti a contatto diretto:

Applicazioni ed Innovazioni”

Studente: Nencioni Leandro

Matricola: 7013849

I cuscinetti a contatto diretto

Sommario

Introduzione………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

1. Introduzione ai cuscinetti a contatto diretto…………………………………………………………………….4

1.1. Cenni storici sui cuscinetti a contatto diretto ……………………………………………………….4

1.2. Cenni sui cuscinetti volventi e radenti…………………………………………………………………..5

1.3. Principali differenze tra le due classi di cuscinetti………………………………………………….6

2. Materiali e soluzioni innovative per cuscinetti a contatto diretto……………………………………..8

2.1. I materiali convenzionali………………………………………………………………………………….......8

2.2. Introduzione ai cuscinetti non metallici…………………………………………………………………9

2.3. Componenti di cuscinetti in polimero……………………………………………………………………11

2.4. I cuscinetti in materiale ceramico………………………………………………………………………….14

3. Applicazioni di interesse dei cuscinetti a contatto diretto…………………………………………………17

3.1. Applicazione nel campo delle turbine eoliche……………………………………………………….17

3.2. Applicazione nei compressori di grandi dimensioni……………………………………………….25

3.3. Applicazione nei motori aereonautici…………………………………………………………………….33

3.4. Cenni sulle applicazioni in ambito ferroviario………………………………………………………..40

3.5. Applicazione nei motori elettrici ed endotermici…………………………………………………..44

Bibliografia……………………………………………………………………………………………………………………….49

Indice delle figure

Figura 1 - Rappresentazione Leonardiana di un cuscinetto volvente….……………………………….4

Figura 2 - Cuscinetti volventi…………………………………………………………….…………………………………5

Figura 3 - Cuscinetti radenti……………………………………………………………….……………………………….6

Figura 4 - Andamento qualitativo del coefficiente di attrito in funzione di v….……………………6

Figura 5 - Trattamento termico di tempra ad induzione per un anello di un cuscinetto….…..8

Figura 6 - Cuscinetti a contatto diretto non metallici……………………………………………………….….9

Figura 7 - Gabbie in polimero……………………………………………………………………………………………11

Figura 8 - Componenti in polimero per cuscinetti a rulli cilindrici……………………………………..12

Figura 9 - Cuscinetti volventi in polimero………………………………………………………………………….12

Figura 10 - Cuscinetti radenti polimerici a fibre incrociate……………………………………….……….13

Figura 11 - Cuscinetti radenti in PTFE………………………………………………………………………………..13

Figura 12 - Cuscinetti radenti in materiale composito…………….…………………………………………13

Figura 13 - Cuscinetto ibrido……………………………………………………………………………………………..14

Figura 14 - Cuscinetto ceramico………………………………………………………………………………………..14

Figura 15 - Confronto delle caratteristiche meccaniche di acciaio e nitruro di silicio…….…..14

Figura 16 - Differenze di prestazioni di usura per cuscinetti in acciaio e ceramici……………..15

Figura 17 - Test di prova su corpi volventi ceramici…………………………………………………………..16

Figura 18 - Spaccato di una turbina eolica…………………………………………………………………………17

Figura 19 - Cuscinetti volventi per turbine eoliche con potenze fino a 5 MW…………………...18

Figura 20 - Soluzione per turbine eoliche senza moltiplicatore………………………………………...19

Figura 21 - Soluzione per turbine eoliche con cuscinetti a rulli conici montati ad “O”…….…19

Figura 22 - Soluzione per turbine eoliche innovativa e compatta……………………………………...20

Figura 23 - Altra soluzione per turbine eoliche con rotori di grandi dimensioni…………………20

Figura 24 - Esempio di cuscinetti di grandi dimensioni per rotori di turbine eoliche………….21

Figura 25 - Banco prova per cuscinetti destinati a turbine eoliche……………………………….……21

pag. 1

I cuscinetti a contatto diretto

Figura 26 - Strumentazione per il monitoraggio dei cuscinetti………………………………………...22

Figura 27 - Segnale nel dominio del tempo fornito dalla strumentazione…………………….….23

Figura 28 - Spettro del segnale (dominio della frequenza)……………………………….………..…….23

Figura 29 - Impianto di lubrificazione dei cuscinetti in una turbina eolica…………………….….23

Figura 30 - Sistema di lubrificazione automatico installato sulle turbine eoliche………….….24

Figura 31 - Kit di lubrificazione automatica………………………………………………………………………24

Figura 32 - Compressore centrifugo su cui sono montati cuscinetti volventi……………………25

Figura 33 - Esempio di angoli di contatto contenuti…………………………………………………….…..25

Figura 34 - Ottimizzazione della geometria della gabbia…………………………………………….……26

Figura 35 - Geometria delle piste ottimizzata…………………………………………………………..……..26

Figura 36 - Chiler con compressore centrifugo……………………………………….……………………….27

Figura 37 - Spessore di film lubrificante per applicazioni PRL……………………………….………….28

Figura 38 - Cuscinetto ibrido destinato ad applicazioni PRL…………………….……………………….28

Figura 39 - Esempio applicativo di cuscinetti ibridi nella tecnologia PRL………………….………28

Figura 40 - Compressore a vite……………………………………………………………………….……………….29

Figura 41 - Compressore centrifugo……………………………………………………………………….…..……29

Figura 42 - Soluzione per compressore a vite………………………………………………………….…..…..30

Figura 43 - Compressore centrifugo con impeller contrapposti……………………….…….……..…30

Figura 44 - Disposizione dei cuscinetti obliqui per compressore con impeller in serie……..31

Figura 45 - Soluzione costruttiva per compressori gear drive…………………….…………….……...31

Figura 46 - Alcune soluzioni per compressori centrifughi ed a vite…………………….…….……...31

Figura 47 - Difetti sulla pista di un cuscinetto volvente impiegato in compressori….….…….32

Figura 48 - Motore aereonautico…………………………………………………………………………….……….33

Figura 49 - Sviluppo storico degli acciai destinati a motori aereonautici……….……….………...33

Figura 50 - Cuscinetto a rulli cilindrici per il rotore principale di un motore avio…….……….34

Figura 51 - Previsione delle prestazioni di cuscinetti avio fino al 2030……………………………..34

Figura 52 - Esempio di gabbia in materiale composito per motori avio…………………..………..35

Figura 53 - Motore GEnx che impiega cuscinetti cementati……………………………………………..36

Figura 54 - Cuscinetti con superfici cementate destinate al nuovo motore GEnx……………..36

Figura 55 - Analizzatore di vibrazioni per cuscinetti destinati a motori avio……………………..37

Figura 56 - Alcuni cuscinetti per applicazioni aereonautiche…………….…………………………...…38

Figura 57 - Applicazione di cuscinetti volventi per rotori di elicotteri…………………..……….….38

Figura 58 - Snodo sferico con rivestimento interno in ceramica……………………………………...38

Figura 59 - Applicazione degli snodi sferici nel rotore di un elicottero……………………………..39

Figura 60 - Una delle prima applicazioni di cuscinetti a rulli nel settore ferroviario……….…40

Figura 61 - Cuscinetto a rulli cilindrici per applicazioni ferroviarie……………………………………41

Figura 62 - Cuscinetto a rulli conici per applicazioni ferroviarie………………………………….…….41

Figura 63 - Esempio di sistema di monitoraggio dei cuscinetti…………………………………….……42

Figura 64 - Sistema di monitoraggio della temperatura delle boccole………………………….…..43

Figura 65 - Cuscinetto radiale a sfere con tenute in acciaio per motori elettrici………….……44

Figura 66 - Cuscinetto con corpi volventi in nitruro di silicio per motori elettrici……………..44

Figura 67 - Esempio di impiego di cuscinetti sensorizzati per motori elettrici…………………..45

Figura 68 - Esempio applicativo di bronzine nel piede di biella………………………………….….….45

Figura 69 - Bronzine del piede di biella…………………………………………………………………….……...47

Figura 70 - Bronzine innovative per motori start&stop…………………………………………….……...47

pag. 2

I cuscinetti a contatto diretto

Introduzione

In questo elaborato si presenta una rassegna sui cuscinetti a contatto diretto e perciò in

particolare sui cuscinetti volventi e sui cuscinetti di strisciamento o radenti.

Gli argomenti che principalmente si tratteranno, vista la vastità degli argomenti interessanti i

cuscinetti a contatto diretto, faranno riferimento alle principali innovazioni del settore con

particolare attenzione sui materiali innovativi, quali i ceramici ed i polimerici e verranno anche

prese in considerazione alcune innovazioni nel campo del monitoraggio e della lubrificazione.

Inoltre, verranno prese in considerazioni le principali applicazioni dei cuscinetti a contatto diretto

nel mondo delle turbomacchine, sia aereonautiche che terrestri, con particolare riferimento alle

applicazioni in turbine eoliche, compressori a vite e centrifughi, motori aereonautici, motori

elettrici ed endotermici ed alcuni cenni sulle applicazioni nel settore ferroviario.

pag. 3

I cuscinetti a contatto diretto

1. Introduzione ai cuscinetti a contatto diretto

I cuscinetti a contatto dire