Relazione sulle pompe meccaniche

Materie:	Appunti
Categoria:	Tecnologia Meccanica
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Data:	06.09.2001
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POMPE
Le macchine idrauliche operatrici impiegate nella tecnica sono le pompe, che possono essere suddivise in tre categorie:
• Volumetriche alternative,
• Volumetriche rotative,
• Turbopompe.
Costruttivamente i motori sono identici alle pompe e in taluni casi uno stesso componente è in grado di assolvere le due funzioni invertendo il senso di flusso.
Q = portata
Q = q n q = cilindrata geometrica
n = numero dei giri
-Pompe e motori a cilindrata fissa: sono costruiti in modo tale da non poter variare le dimensioni geometriche.
-Pompe e motori a cilindrata variabile: è possibile intervenire variando le dimensioni geometriche anche durante il funzionamento.
Una pompa, è usata per comprimere e spostare sostanze liquide o gassose, ma anche solide se in forma granulare o polverulenta. Fra i parametri caratteristici delle pompe sono importanti la prevalenza (altezza massima raggiungibile dal materiale spostato) e la portata (quantità di materiale spostato nell’unità di tempo).
La trasmissione della potenza per via idrostatica, a mezzo di una pompa e motore in serie tra loro, è schematizzabile dal punto di vista funzionale. In un circuito di questo genere, la trasmissione della potenza è funzione delle grandezze idrauliche costituenti la potenza.
N = potenza
N = p Q p = pressione
Q = portata

Rendimenti, equazioni e curve caratteristiche delle macchine idrostatiche.
L’attenzione va riservata sui diversi ANDAMENTI delle curve e, quindi, sugli aspetti funzionali e fenomenologi da esse deducibili.
Si tenga altre si presente che il tracciamento dei diagrammi va di norma eseguito a temperatura dell’olio costante, ma è interessante notare come l’olio stesso, viene sottoposto a drastici fenomeni durante il suo passaggio entro il circuito oleodinamico: in corrispondenza a punti particolari, quali possono essere i punti di contatto dei denti degli ingranaggi, la temperatura può aumentare specificatamente fino a molte centinaia di gradi centigradi.
Rendimento volumetrico delle pompe.
Lo scopo primo di una pompa è trasferire in mandata quanto più fluido possibile ad giro. La cilindrata di una pompa rappresenta il VOLUME TEORICO di un fluido pompato ad ogni giro della macchina idrostatica, è il prodotto del volume di una camera di pompaggio per il numero delle stesse presenti nel componente.
Ne deriva che la PORTATA TEORICA di una pompa è data dalla seguente formula:

Qt = Vt n
Dove: Qt = portata teorica in litri/min
Vt = cilindrata geometrica e teorica in dm3/giro
n = velocità di rotazione in giro/min
A causa degli inevitabili giochi esistenti tra le pareti mobili ed in particolare in presenza di usura, tra filamenti interni ( perdite di olio) tra le zone ad alta e quelle a bassa pressione, la portata di fluido effettivamente erogata in mandata dalla pompa risulta essere inferiore a quella aspirata all’ingresso.
L’entità di queste perdite volumetriche è definita dal “rendimento volumetrico”, sempre inferiore all’unità, introducendo il quale è possibile scrivere l’espressione della PORTATA EFFETTIVA :
{ Q = Vt ηv n}< Qt
ηv = Q/Qt
Come abbiamo già detto le pompe si dividono in tre distinti gruppi, ognuno dei quali sarà analizzato qui di seguito:
Pompe volumetriche alternative
Prendono il nome di pompe idrauliche volumetriche tutte le macchine operatrici volumetriche adibite alla trasmissione d’energia a fluidi considerati incomprimibili nelle normali condizioni d’uso. In effetti, la comprimibilità dell’acqua, degli oli, delle soluzioni, ecc., impiegati solitamente nelle pompe è da tenere presente per un calcolo rigoroso soprattutto operando con grandi volumi. La comprimibilità è notevolmente variabile al crescere delle prevalenze in gioco e anche in funzione del contenuto d’aeriformi emulsionati nel liquido.
Le pompe volumetriche alternati definite in precedenza, forniscono, a velocità costante, la stessa portata per qualsiasi valore della prevalenza compresa nel campo di funzionamento, a rendimento pressoché costante e comunque piuttosto elevato (83-90%).
Le più comuni sono quelle a stantuffo, queste sono costituite da un cilindro o corpo di pompa interposto tra una tubazione aspirante con relativa valvola aspirante ed una tubazione premente con relativa valvola premente: quando lo stantuffo si solleva (corsa aspirante) si forma una depressione nel cilindro che fa aprire la valvola aspirante e richiama il fluido nel cilindro, mentre durante la discesa dello stantuffo (corsa premente), si ha un aumento di pressione che fa chiudere la valvola aspirante, fa aprire quella premente e spinge il fluido a salire nella tubazione premente; si usano specialmente per grandi prevalenze e piccoli volumi. Le pompe a stantuffo possono essere a semplice o a doppio effetto a seconda che provvedano all’invio di una quantità di fluido pari alla massima variazione di volume della camera o delle camere operatrici per ogni percorso completo dell’elemento mobile in moto alterno o solo per metà di esso.
Generalmente le pompe alternative ricevono la potenza necessaria al loro funzionamento da motori elettrici, termici o d’altra natura tramite un albero rotante; la trasformazione del moto avviene grazie a un manovellismo con il quale si ottiene un moto di tipo pseudosinusoidale.
Esistono anche pompe in cui il moto viene già fornito da attuatori di tipo rettilineo, esse sono generalmente collegate a una macchina motrice a vapore, per cui la legge del moto dipenderà ovviamente da quella della distribuzione del fluido motore utilizzato.
Ad azionamento diretto possono essere anche pompe a comando elettrico mosse tramite elettromagneti. Le pompe alternative sia a stantuffo con comando mediante manovellismo, sia d azionamento, sono adatte per portate massime sino a 0,1 m³/s e per differenze di pressione totale fino a 400x10⁵ N/m². Le pompe per portate maggiori hanno notevoli dimensioni e sono di costruzione ingombrante e pesante; necessitano di valvole automatiche o comandate, sono adibibili solo al passaggio di liquidi esenti da impurità solide.
Valvole:
I tipi più semplici di valvole di intercettazione della portata di liquido nelle diverse fasi di funzionamento di una pompa a stantuffi sono costituiti da dischi o
Piattelli opportunamente guidati da uno stelo, che per effetto delle pressioni di mandata o aspirazione bloccano rispettivamente le luci di aspirazione e di mandata.
La costruzione pratica è poi realizzata con superfici di tenuta coniche, con guarnizioni di elementi deformabili, con lamelle o membrane, con pistoncini
distributori, ecc. e la loro disposizione può essere diversissima sia sulle parti mobili che su quelle fisse della macchina, ma la classificazione fondamentale è tra due soli tipi, ossia valvole automatiche e valvole comandate.
Le valvole automatiche vengono azionate direttamente dal fluido riceve energia nella macchina e hanno notevole influenza sulla forma del ciclo di lavoro della macchina nelle due fasi di aspirazione e mandata.
Le valvole comandate, pur essendo spesso azionate direttamente da parti mobili della macchina operatrice, assorbono potenza direttamente dal motore primo che trascina la pompa stessa.
Le valvole del primo tipo hanno perciò una maggiore influenza sui valori del rendimento interno; quelle del secondo tipo vanno prese in considerazione ai fini di un bilancio energetico globale. La realizzazione pratica delle valvole comandate è spesso ottenuta con dispositivi a piattello o disco con stelo di guida che in questo caso è utilizzato per la trasmissione tramite camme o punterie della forza necessaria a vincere il contrasto delle molle di chiusura.
Pompe volumetriche rotative
In queste macchine operatrici si ha sempre tra le parti mobili e fisse moto relativo di tipo rotatorio continuo. Le camere contenenti il liquido possono essere a volume fisso o a volume variabile. Nel primo caso si ha il prelievo di liquido da un ambiente a bassa pressione (aspirazione) e lo si porta in comunicazione con un ambiente a pressione più elevata determinata dalle resistenze sul circuito di mandata. Il secondo tipo, pur provvedendo sostanzialmente a un puro e semplice trasferimento di liquido tra due ambienti a diversa pressione, opera con volumi che aumentano durante il periodo di rotazione coincidente con la fase di aspirazione, cioè di comunicazione con l’ambiente a bassa pressione, mentre diminuiscono col procedere della fase di mandata, in perfetta analogia con le pompe alternative.
Pompe ad ingranaggio, a lobi, a vite:
Le pompe a ingranaggio esterno e interno sono più adatte per l’impiego in circuiti oleodinamici o con liquidi autolubrificanti. Dato il notevole incremento delle perdite volumetriche con la prevalenza, sono consigliate pressioni non elevate (fino a 120x105 N/m2).
Elementi di calcolo di una pompa ad ingranaggi:
Teniamo presente che i denti degli ingranaggi hanno lo scopo fondamentale di trasportare l’olio, usufruendo del principio della coniugabilità del profilo che mantiene un contatto costante fra i fianchi dei denti stessi; questo principio, abbinato a quello di far ruotare col minimo giuoco gli ingranaggi nelle sedi di allagamento, produce l’effetto dell’aspirazione dell’olio da una parte della pompa e la compressione dall’altra parte (di mandata). Il modulo, quindi, si può stabilire a priori in base a tabelle.
Portata in l/1’ a 1500 giri/1’
10
16
20
25
32
40
50
64
80
100
Diametro primitivo in mm degli ingranaggi
42
42
42
42
42
42
42
42
42
42
Modulo in mm
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Larghezza degli ingranaggi in mm
12
20
25
32
20
25
32
20
25
32
Numero degli ingranaggi
2
2
2
2
3
3
3
6
6
6
Lunghezza L della pompa
80
80
80
80
80
80
80
140
140
140
Legenda:
p’ = pressione specifica dell’olio in Kg/cm2
De = diametro esterno, in cm, degli ingranaggi
Dp = diametro primitivo in cm
m = modulo in cm
z = n° dei denti di uno dei due ingranaggi gemelli
n = n° dei giri al minuto primo dei suddetti
b = lunghezza, in cm, dei denti
Q’ = portata teorica in cm3/1’
P = sforzo sulla dentatura in Kg
Area delle due corone:
A = π (De2-Di²)/4 [cm²]
De = Dp+2m
Di = Dp-2m
Sostituisco :
A = π [(Dp+2m)²-(Dp-2m)²]/4
Sviluppo :
A = π/4 [(Dp²-4m²+4Dp m)-(Dp²+4m²-4Dp m)]
A = π/4 (Dp2+4m2+4Dp m-Dp2-4m2+4m2+4Dp m)
A = π/4 (8Dp m) quindi: A = 2π Dp m =>
Q’ = ½ A 2b n
Semplifico:
Q’ = 2π Dp m b n
Dato che Dp = z n si avrà:
Q’ = 2π z m m b n
Q’ = 2π z m² b n
(portata teorica in cm3/1’)
ηv = rendimento volumetrico (0,75÷0,90)
quindi:
Q’eff. = Q’ ηv
n = Q’/(2π z m2 b)
(Il numero di denti z potrà essere da 12 a 21;b=6÷16xm)
Necav = (Q’ p’)/(100 60 75 ηt)
Sostituendo:
Necav = (2π z m2 b n p’)/(100 60 75 ηt)
p’ = (Ne 100 60 75 ηt)/(2π z m2 b n)
Le pompe a lobi, che si possono considerare come un tipo particolare delle pompe a ingranaggio, possono essere impiegate con liquidi non lubrificanti in quanto non si ha trascinamento di una delle due ruote dentate da parte dell’altra, ma entrambi gli alberi sono accoppiati all’esterno del volume di lavoro e collegati all’albero d’ingresso della potenza. Le prevalenze d’impiego coincidono praticamente con quelle delle pompe ad ingranaggio.
Le pompe a vite, rispetto a quelle a ingranaggio, sono caratterizzate da una maggiore silenziosità e dalla quasi totale assenza di vibrazioni. Tali caratteristiche, oltre all’assenza dei piccoli urti d’ingranamento, sono dovute anche all’assenza di spinte radiali sull’albero motore grazie alla disposizione simmetrica delle viti trascinate.
Tutte le pompe rotative presentano notevoli problemi di tenuta sui fianchi degli elementi rotanti (ingranaggi, lobi, viti, ecc.) che possono essere risolti con lavorazioni molto raffinate e costose dei piani d’appoggio o ricorrendo all’autobilanciamento dei gruppi. Con tale procedimento si costruiscono i piani di strisciamento flottanti rispetto alla carcassa della macchina e tali superfici mobili supportano anche gli alberi delle parti rotanti. Questi elementi, generalmente di bronzo o altri metalli antifrizione, hanno una certa libertà di movimento assiale e vengono a premere sui fianchi delle ruote sotto l’azione della pressione di mandata che viene trasmessa all’intercapedine tra questi supporti e la carcassa della macchina attraverso fori calibrati che permettono quindi di graduare la forza di serraggio. L’olio trafilante tra le superfici e le ruote garantisce la lubrificazione nel moto relativo. Sono adatte per piccole portate e prevalenza fino a 200x105 N/m2.
Pompe rotative a palette ed eccentrico:
Il principio costruttivo è quello di avere degli elementi piani che per forza centrifuga (talvolta spinti anche da molle) aderiscono facendo tenuta alle pareti dello statore fisso. Gli elementi di tenuta possono anche essere di forma diversa da quella piana come nell’esempio della figura 2e, in cui si hanno dei cilindri. Per il loro stesso modo di funzionare queste pompe non debbono scendere al di sotto di determinati regimi di rotazione, sono adatte per liquidi lubrificanti e possono permettere prevalenze fino a 200÷250x105 N/m2. le pompe a eccentrico sono in genere adottate per piccole prevalenze, dell’ordine di poche decine di metri d’acqua, quando la macchina operatrice deve assolvere anche a un compito di dosatura.
Esistono anche diverse soluzioni costruttive di esecuzione più rara che possono essere classificate tra le pompe a ingranaggio o tra quelle a palette.
Turbopompe:
Le turbopompe idrauliche sono turbo macchine che hanno lo scopo di convertire l’energia meccanica, che assorbono da un adeguato motore di accoppiamento, in energia di pressione del liquido: il valore più o meno grande dell’energia totale che viene comunicata al liquido ne consente l’elevazione di quota (pompe di sollevamento), l’impiego ad alta pressione (pompe d’alimentazione di generatori di vapori) e l’utilizzazione in circuiti chiusi (pompe di circolazione).
L’elemento fondamentale di una turbopompa è la girante: questa è una ruota provvista di un certo numero di palette sagomate che comunica all’unità di massa d’acqua che l’attraversa l’energia di pressione, parte sotto forma d’energia di pressione, parte sotto forma d’energia cinetica. L’acqua che perviene alla girante è aspirata dal bacino di alimentazione mediante un’opportuna tubazione, detta aspirazione.
Alla girante fa seguito un condotto fisso palettato a sezione gradualmente crescente, il diffusore, nel quale l’energia cinetica d’uscita dalla girante è convertita in energia di pressione. Il diffusore è seguito da una voluta a spirale che funge da collettore e alimenta la tubazione di mandata. Nel caso di pompe per le quali il rendimento non sia molto importante, il collettore assolve anche alla funzione di diffusore.
Consideriamo una pompa che aspiri acqua da un serbatoio inferiore e la debba inviare in un serbatoio più elevato di quota. Si definisce prevalenza monometrica della pompa la differenza di energia complessivamente posseduta dalla unità di massa d’acqua alla bocca di mandata e quella complessivamente posseduta alla bocca di aspirazione.
Le turbopompe si suddividono in pompe radiali centrifughe, pompe assiali a elica, pompe a flusso misto, di caratteristiche intermedie a quelle dei due tipi precedenti.
La scelta del tipo di pompa dipende essenzialmente dai livelli di prevalenza monometrica richiesti in sede di progetto, e dalla portata d’acqua prevista. Una turbopompa si può presentare sotto la forma d’un unico stadio, oppure come pompa a più stadi in serie, ciascuno dei quali munito di girante e diffusore palettato. Nel caso di pompe pluristadio, il collegamento tra uno stadio e il successivo è effettuato mediante una predistribuzione, che consente di presentare allo stadio successivo il fluido in uscita dal diffusore. Per portare relativamente grandi, ma modeste prevalenze, si costruiscono anche giranti a doppio ingresso, che permettono di raddoppiare la portata d’acqua funzionando in parallelo.
Per ogni turbopompa esiste un numero di giri caratteristico espresso nella forma:
nc = n√L/H3/4,
funzione del tipo di turbopompa prescelto e che è comune a tutti i modelli di quel tipo di macchine funzionanti con egual rendimento della pompa.
Estrapolando i concetti suddetti si osserva che, desiderando smaltire portate L sempre più elevate senza dover ricorrere a velocità di rotazione troppo basse, occorre far fronte a numeri di giri caratteristici sempre più grandi, e ciò comporta la ricerca di nuove soluzioni geometriche della macchina: la turbopompa assiale nasce appunto da questa esigenza
Essa è costituita essenzialmente da un girante a elica, le cui pale sono realizzate secondo profili alari, e da un diffusore palettato.
Il campo di applicazione delle turbopompe è estremamente vario: esse sono utilizzate per impianti di bonifica e di irrigazione, sono impiegate nei sistemi d’accumulazione degli impianti idroelettrici e inoltre vengono usate come pompe di alimentazione nei generatori di vapore, come pompe di estrazione del condensato nei condensatori di vapore, come pompe di circolazione dell’acqua. Esse hanno inoltre innumerevoli impieghi nell’industria chimica, petrolifera e mineraria. Le turbopompe sia monostadio che pluristadio, consentono di coprire campi di applicazione molto vasti, con prevalenze che vanno da un metro a parecchie centinaia di metri, e portate da 0,001 m3/s fino a parecchie decine di m3/s.