Sistemi energetici, parte 4 - Macchine operatrici idrauliche

POMPE DINAMICHE

(TURBOMACCHINE)

4-MACCHINE OPERATRICI IDRAULICHE

INTRODUZIONE GENERALE

Le macchine operatrici idrauliche sono anche note come pompe.

Rivolgeremo l’attenzione alle turbopompe, ossia alle pompe caratterizzate da un flusso

continuo.

Alcuni esempi possono essere:

• Pompa centrifuga monoblocco (si ricorda che una macchina è centrifuga nel

momento in cui l’ingresso del fluido alla parte mobile è radiale, quindi il fluido entra in

corrispondenza della girante parallelamente all’asse di rotazione e abbandona la

girante in direzione radiale, mentre “monoblocco” indica che la pompa è fornita già di

motore elettrico) Motore

Macchina

• Pompa multistadio

• Pompa sommersa multistadio

Si ricorda che il termine stadio è stato utilizzato per indicare l’accoppiamento di parte

mobile e parte fissa; all’interno di questa macchina si hanno più stadi (più

accoppiamenti di parte rotorica e statorica). Pompe sommerse multistadio

POMPE DINAMICHE

(TURBOMACCHINE)

Volendo caratterizzare il funzionamento delle macchine operatrici idrauliche, solitamente si

fa riferimento ad alcune grandezze di interesse:

•

Prevalenza (manometrica)

2

2

− −

( )

= + + − ( )

2

Ricordiamo che la tipologia di macchina che viene trattata è una macchina operatrice,

ossia una macchina che determina l’incremento di energia del fluido a seguito di un

impegno di lavoro meccanico.

Dalla relazione sopra riportata notiamo che il fluido può accumulare energia

sottoforma di energia di pressione, energia cinetica o energia potenziale.

E’ preferibile che la macchina vada ad incrementare l’energia di pressione e capiamo

perché:

o

Immaginando di incrementare l’energia cinetica all’uscita della macchina si

avranno elevate velocità, e se accade ciò allora, tutte le perdite (perdite di

carico concentrate e distribuite), che risultano dipendere dal quadrato della

velocità, saranno elevate. Non conviene quindi avere elevate velocità all’uscita

della macchina perché ciò implicherebbe forti dissipazioni energetiche.

o Immaginando di incrementare il termine legato all’energia potenziale

(differenza di quota), ciò implicherebbe un aumento degli ingombri della

macchina (in particolare ci sarebbe un forte ingombro verticale dovuto ad una

forte differenza tra la quota della sezione di entrata e quella di uscita), con una

serie di conseguenze negative.

Per tali ragioni è conveniente l’incremento dell’energia di pressione: la macchina

tenderà quindi a fornire energia al fluido principalmente sottoforma di energia di

pressione.

•

Portata (volumetrica)

•

Rendimento POMPE DINAMICHE

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POMPE CENTRIFUGHE

Si ricorda che una macchina è centrifuga nel momento in cui l’ingresso del fluido alla parte

mobile è radiale, quindi il fluido entra in corrispondenza della girante parallelamente all’asse

di rotazione e abbandona la girante in direzione radiale.

La macchina risulta essere composta da due elementi fondamentali:

riferimento ad alcune grandezze di interesse:

• Rotore

• Statore

In particolare, il fluido, nell’attraversare la macchina, incontrerà inizialmente il rotore e poi

lo statore.

Questo susseguirsi è legato proprio all’obiettivo e al funzionamento della macchina: la

macchina ha il compito di fornire energia al fluido e per fare ciò bisogna fornire del lavoro

tramite quindi il rotore.

Le Equazioni di Eulero, infatti, evidenziano come il lavoro risulta essere espresso

esclusivamente in funzione di grandezze cinematiche: questo significa che in corrispondenza

dell’organo mobile al fluido verrà fornita energia di tipo cinetico.

22 12 22 12 22 12

− − −

= − = − +

2 2 1 1 2 2 2

Poiché sono stati espressi i motivi per i quali non conviene avere elevate velocità all’uscita

della macchina, alla parte mobile (rotore) segue la parte fissa (statore) che avrà il compito

di convertire l’energia cinetica in energia di pressione, in modo tale da ottenere un fluido

che ha un elevato contenuto energetico nella forma che risulta essere più utile.

Si propone una vista in sezione della macchina:

La tubazione farà entrare il fluido

da sinistra verso la macchina

tramite la flangia di aspirazione

(Il fluido entra parallelo all’asse di

rotazione) POMPE DINAMICHE

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La girante, per entrare in rotazione, risulta essere collegata all’albero (che nella

configurazione monoblocco della macchina viene messo in rotazione dal motore).

Dopo essere entrato assialmente (parallelamente all’asse di rotazione), il fluido tenderà a

transitare lungo le regioni che vengono rese disponibili dalla configurazione geometrica

della macchina: seguirà quindi il percorso evidenziato il rosso e verrà scaricato radialmente.

Si propone una rappresentazione più schematica e semplice della macchina che stiamo

analizzando (a sinistra è illustrata una sezione con vista laterale, mentre a destra una

sezione ottenuta tagliando perpendicolarmente all’asse di rotazione): Palette

Voluta: parte fissa

L’effetto di centrifugazione si evince dalla conformazione geometrica della macchina.

La voluta (parte fissa) andrà a raccogliere il fluido all’uscita dalla girante: notiamo dalla

sezione a destra che non si mantiene costante dimensionalmente ma ha una forma a

chiocciola, la cui sezione aumenta man mano che si raggiunge la sezione di scarico (ciò se

evince anche dalla sezione di sinistra in cui la cassa inferiore ha una dimensione minore di

quella superiore).

GIRANTE

Andiamo ad analizzare la girante (o rotore): sappiamo che ha la funzione di scambiare

energia con il fluido.

Vediamo tre tipologie di giranti e notiamo che hanno uno sviluppo centrifugo (direzione

centrifuga viene sviluppata dalle palette) ed elicoidale.

1 2 3

Relativamente alla girante, è possibile avere una configurazione aperta (girante 1) o chiusa

(girante 3). La girante chiusa ha una superficie che consente il collegamento delle palette e

nello stesso tempo limita la regione in corrispondenza della quale andrà a fluire il liquido.

POMPE DINAMICHE

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Ricordiamo che si verificano delle perdite legate ai trafilamenti, dato che tra parte mobile e

parte fissa esiste sempre un gioco per evitare fenomeni di strisciamento.

L’uso di giranti chiuse garantisce la possibilità di limitare in maniera sensibile i trafilamenti

(infatti il fluido sarà costretto a passare attraverso i canali resi disponibili dalla superficie

della girante, lateralmente dalle pale adiacenti e superiormente dalla superficie che rende la

girante chiusa, che determinerà una limitazione: ne consegue un maggiore rendimento) e i

fenomeni vibratori. Se l’idea è quella di massimizzare le performance si preferisce l’uso di

una girante chiusa, che comporterà però un maggiore peso e un maggiore costo della

macchina.

Nel caso di girante aperta non è presente la superficie di chiusura: il fluido che transita nei

canali interpalari avrà la possibilità di transitare e spostarsi nella regione di gap, con

maggiori trafilamenti rispetto l’altra tipologia di girante.

Per le applicazioni di piccola potenza con una soluzione economica sono preferibili le

giranti aperte.

La girante 2 è una girante aperta che ricorda la tipologia 1: ma ad una prima girante ne è

affiancata una seconda. In tal caso si parla di girante aperta a doppio flusso. Potrebbe

essere realizzata anche una girante chiusa a doppio flusso (che nello schema indicato di

sopra non è rappresentata).

La realizzazione di questo tipo di girante può essere legata alla volontà di bilanciare le

spinte assiali che si andranno a determinare sulla macchina (generalmente vi sono dei

cuscinetti che hanno il compito di assorbire questa spinta, il che determinerà delle

dissipazioni).

DIFFUSORE

Una volta che è stata fornita energia cinetica della girante, bisogna convertire l’energia

cinetica in energia di pressione, che può essere più utile e che non determina dissipazioni

legate ad un’elevata velocità.

Si parla quindi di Diffusore Palettato, che permette tale conversione.

Oltre alla necessità di diffusione (riduzione dell’energia cinetica) è necessario raccogliere e

convogliare tutto il fluido raccolto dalla girante verso la tubazione di mandata.

Aspirazione Mandata

Si comprende per quale motivo, nel suo andamento “a chiocciola”, il diffusore aumenta la

sua sezione: questo proprio per raccogliere (grazie alla parte più stretta) e convogliare

(grazie alla parte che si allarga) il fluido verso la mandata. POMPE DINAMICHE

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Visto che si vuole rallentare il fluido bisogna aumentare la sezione di passaggio; e infatti ciò

si evince dalla relazione già osservata: =

La voluta, e in particolare la sua sezione, tenderà a crescere secondo una legge più che

lineare perché, accanto all’azione di convogliamento, bisogna garantire anche l’azione di

diffusione.

Se avessimo solamente la necessità di convogliare il fluido si potrebbe pensare di avere uno

sviluppo tale da determinare un incremento dell’area della sezione di passaggio linearmente

con l’angolo: in questo modo si accoglie la portata che cresce linearmente con l’angolo.

Con diffusore non palettato Con diffusore palettato

Si possono avere, anche in questo caso, configurazioni differenti: come si osserva nella

rappresentazione di destra dell’immagine soprastante, alla girante rosa segue un elemento

in nero nel quale sono raffigurate delle palette. In questo caso il diffusore risulta essere

palettato: il fluido risulterà essere più “guidato” nell’operazione di diffusione e andrà ad

incontrare delle sezioni che poi via via cresceranno proprio per avere quell’effetto di

conversione cinetico-pressione.

Questa configurazione con diffusore palettato garantirà maggiore efficienza e

performance, ma comporterà un aggravio di costi, peso e realizzazione.

Nella raffigurazione di sinistra (diffusore non palettato) è la cassa che, con la sua geometria,

garantisce gli effetti di cui abbiamo discusso. POMPE DINAMICHE

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POMPE PLURISTADIO

Sono pompe caratterizzate da più stadi (accoppiamenti rotore-statore)

Nella raffigurazione soprastante è rappresentata una pompa multistadio con la sua sezione.

Nel caso riportato si tratta di una macchina che integra il motore elettrico (zona in grigio

nella sezione): la macchina vera e propria è quella che si trova all’interno della cassa

d’acciaio (e rappresentata in blu nella sezione).

Si osserva chiaramente in sezione la presenza dell’albero, messo in rotazione dal motore

elettrico (che dispone anche di una ventola che garantisce il raffreddamento del motore

stesso), e la presenza di 4 stadi.

Un altro esempio è il seguente:

Si contano 5 giranti di tipo centrifughe (in questo caso chiuse).

Con questa tipologia di pompe si può pensare di garantire un elevato valore di prevalenza

manometrica (e garantire, quindi, un elevato valore di ).

Realizzare delle macchine che tendono a disporre di più giranti disposte sullo stesso,

garantisce un ingombro significativamente inferiore rispetto al caso in cui si volesse

ottenere lo stesso risultato finale (stessa prevalenza) ma con una sola unità girante, che

sarebbe molto più grande (con una maggiore variazione tra i due raggi d’ingresso e di uscita

dalla girante, con un conseguente elevato ingombro radiale e trasversale). POMPE DINAMICHE

(TURBOMACCHINE)

Si propone un ulteriore esempio con vista laterale:

In questo caso l’asse di rotazione è orizzontale e viene evidenziata in rosso una palettina.

Si potrebbe ottenere lo stesso risultato utile andando a posizionare ad esempio più

macchine monostadio, ma con una pompa multistadio si garantisce un minor dispendio in

termini di costo e di ingombri (si avrà un unico albero, un’unica cassa che va a contenere

tutti gli elementi rotorici e statorici, e un unico motore elettrico).

Per essere più precisi non si ottiene proprio lo stesso effetto utile considerando più

macchine monostadio: nella macchina pluristadio il fluido arriva prarallelamente all’asse di

rotazione, si ha l’effetto di centrifugazione per cui il fluido verrà scaricato radialmente; in

questo caso, il fluido, dopo aver interagito con la prima palettatura, dopo un certo percorso

dovrà raggiungere anche la seconda palettatura per cui dopo aver abbandonato la girante

270°

dovrà subire una variazione della sua direzionalità che corrisponde circa a (questo

90°,

perché il fluido viene scaricato radialmente, poi subirà una prima deflessione a poi una

90° 90°

seconda deflessione a e poi un’ulteriore deflessione di per garantire la disponibilità

secondo la direzionalità assiale).

Rispetto alla tipologia precedente, lo statore tende a complicarsi dato che bisogna garantire

questa variazione di direzionalità del fluido e, a queste variazioni di direzione, per quanto si

possa cercare di assicurare una certa regolarità e raccordo, seguiranno delle perdite

concentrate.

Ogni volta che il fluido circola attraverso una parte rotorica, riceverà un determinato

contributo, ottenendo una prevalenza totale pari alla somma delle varie prevalenze

provenienti dalle varie giranti.

Una volta che il fluido passerà per l’ultima girante, verrà effettuata quell’operazione di

raccolta e convogliamento verso la tubazione di mandata. POMPE DINAMICHE

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Ad esempio, può essere necessario effettuare il pompaggio di acqua da un pozzo: in tali casi

viene effettuata una perforazione, anche a notevoli profondità, e per poter portare in

superficie l’acqua la macchina garantisce un’adeguata azione di pompaggio.

Nello schema sottostante si riporta proprio questa casistica, che consiste in una pompa

sommersa multistadio (sommersa perché la macchina è immersa proprio all’interno del

fluido). In questi casi l’ingombro trasversale diventa notevole a vantaggio di un minor

ingombro radiale, che avrebbe richiesto una perforazione maggiore nel terreno. POMPE DINAMICHE

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POMPE A FLUSSO MISTO

Le pompe a flusso misto hanno una logica del tutto equivalente per quanto visto

relativamente alle macchine centrifughe.

La girante sotto rappresentata è piuttosto simile alla girante delle macchine centrifughe

viste fino ad ora, con la differenza fondamentale che, sia in corrispondenza della sezione di

entrata che di uscita, ci sarà una compresenza della componente assiale e radiale della

velocità:

Il fluido, in questo caso, in corrispondenza della parte mobile tenderà a muoversi su una

superficie di tipo tronco-conica (quindi con un progressivo allontanamento dall’asse di

rotazione).

Considerando le due equazioni di Eulero:

22 12 22 12 22 12

− − −

= − + = −

2 2 1 1

2 2 2 2 2

−

2 1

( > ),

L’effetto di centrifugazione continua a essere presente la quantità sarà

2 1 2

0

maggiore di e quindi l’effetto di centrifugazione contribuirà a determinare lo scambio di

lavoro e consentirà di scambiare energia con il fluido. POMPE DINAMICHE

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Tuttavia, confrontando la pompa a flusso misto con la pompa centrifuga, si avrà una

riduzione di quest’effetto di centrifugazione, sebbene sia presente.

Per tale motivo con questa tipologia di macchina si avrà la possibilità di scambiare meno

lavoro e fornire meno energia al fluido (prevalenza manometrica inferiore).

Nella rappresentazione sottostante si osservano una serie di macchine a flusso misto con

configurazioni che si stanno sempre di più allontanando dalla configurazione centrifuga (da

sinistra verso destra): dal primo schema con uno scarico quasi radiale si passa all’ultimo

schema con uno scarico che presenta una componente assiale notevolmente maggiore

(aumenta infatti l’ingombro in senso assiale). Si riduce quindi l’effetto di centrifugazione.

Nel primo caso si osserva la presenza di un diffusore con caratteristiche molto simili a quello

della macchina centrifuga, mentre nell’ultimo caso il diffusore tende a modificarsi ed essere

simile ad una macchina assiale.

In particolare, all’interno della parte fissa, bisogna prevedere la presenza di un

raddrizzatore: dato che all’uscita sono presenti componente assiale e radiale, in virtù

dell’interazione del fluido con la palettatura (legata alla girante che ruota), vi sarà anche una

componente tangenziale.

Associando un moto assiale al moto rotazionale indotto dalla palettatura, si viene a

generare un moto di tipo elicoidale:

E’ necessario quindi che il fluido venga raddrizzato e quindi che la componente tangenziale

venga ad essere trasformata in modo da evitare delle inutili rotazioni ad elica che

genererebbero perdite: il raddrizzatore quindi garantisce una riduzione della componente

tangenziale della velocità e consente di ottenere un flusso che sia ben indirizzato verso la

tubazione di mandata. POMPE DINAMICHE

(TURBOMACCHINE)

POMPE DINAMICHE

(TURBOMACCHINE)

POMPE ASSIALI

Nelle pompe assiali il flusso in corrispondenza della parte mobile risulta essere diretto

parallelamente all’asse (sia all’ingresso che all’uscita).

Nella schematizzazione sottostante è ancora più evidente la direzionalità del flusso: il

vettore velocità è parallelo all’asse sia in corrispondenza della sezione di in