MACCHINE-Lezione 6 Pompe idrauliche

MACCHINE‐Lezione 6
Pompe idrauliche
Dr. Paradiso Berardo
Laboratorio Fluidodinamica delle Macchine
Laboratorio
Fluidodinamica delle Macchine
Dipartimento di Energia
Politecnico di Milano
Politecnico di Milano
Generalità
•
•
•
Un liquido accumula energia secondo tre forme Un
liquido accumula energia secondo tre forme
fondamentali:
• energia cinetica
g
• energia potenziale gravitazionale
• energia potenziale piezometrica
Le forme di energia che possono essere fornite f
di
i h
f i
direttamente ad un fluido sono pressione e energia cinetica
Se fornisco grandi quantità di energia cinetica la devo
Se fornisco grandi quantità di energia cinetica la devo trasformare in pressione all’interno della macchina stessa per ridurre le perdite di carico nell’impianto
Tipologia di pompe
•
Pompe volumetriche:
Pompe
volumetriche:
• alternative (stantuffo o pistone)
• rotative(ingranaggi, pale mobili, lobi)
( g
gg p
)
•
Pompe a flusso continuo:
• centrifughe if h
• flusso misto
• assiali
•
Pompe speciali
• autoadescanti
• pompe sommerse
Pompe volumetriche alternative
•
Macchina volumetrica a stantuffo
stantuffo a disco stantuffo a pistone
Pompe volumetriche alternative
caratteristiche:
presenza di un sistema biella‐manovella
manovella
• presenza di un sistema biella
• velocità del fluido all’interno della macchina è molto bassa si tratta di uno scambio energetico di tipo statico
• valvole (aspirazione e mandata) collegano la pompa con l’impianto
• criticità delle tenute (liquidi non puri pompe a pistone)
iti ità d ll t
t (li idi
i
it
)
• apertura delle valvole può essere spontaneo o servo‐
assistito
Pompe volumetriche alternative
•
curva di funzionamento di tipo periodico
curva di funzionamento di tipo periodico
problematiche di esercizio:
p
• aumento delle perdite di carico quando v è alta, pericolo di manifestarsi della cavitazione
• vibrazioni associate a variazioni di portata e pressione ib i i
i
i i i di
i
all’interno del nostro impianto
• diminuzione del rendimento del funzionamento di diminuzione del rendimento del funzionamento di
apparecchi collegati con tale componente (ex. scambiatori)
Pompe volumetriche alternative
•
soluzione Æ
soluzione
Æ aumento del numero degli effetti (numero aumento del numero degli effetti (numero
di corse utili per giro di manovella)
MACCHINE PIU’ COMPLESSE
Pompe volumetriche alternative
πd
&
V = ηv
cnz = η v Cnz
4
2
Casse d’aria
•
•
•
•
utilizzate con pompe mono o doppio effetto
pp
posizionate a valle e a monte della nostra pompa
a valle compensano variazioni di portata e pressione all’interno
pressione all
interno del del
nostro impianto
a monte diminuisco il rischio di trovarsi in prossimità della cavitazione
Curve caratteristiche
•
•
•
•
legame funzionale portata‐
prevalenza
la portata dipende dal solo numero di giri
di i i
al crescere della pressione di mandata aumenteranno
di mandata aumenteranno le perdite dovute ai trafilamenti
perdite concentrate nelle valvole, rendimenti maggiori per macchine ad alta
per macchine ad alta prevalenza (eta=0.98 con H>200m)
Pompe volumetriche rotative
•
•
non necessitano di valvole di aspirazione e mandata
prevalenza dipende dai giochi presenti nella macchina
prevalenza dipende dai giochi presenti nella macchina
Pompe volumetriche rotative
pompa a lobi
Pompe volumetriche rotative
Pompe a flusso continuo
caratteristiche generali:
•
•
•
•
Macchina a flusso continuo ‐ turbomacchina
Composte da distributore‐girante e diffusore
Allo scarico minimizzare la componente cinetica per ridurre le perdite di carico.
trasforma ione p ò essere rappresentata attra erso la
trasformazione può essere rappresentata attraverso la relazione di Eulero
Pompe centrifughe
Girante aperta:
• semplicità realizzativa
p
• maggiori perdite trafilamento
• migliore lavorazione della superficie delle pale
Girante chiusa:
• maggiore rigidità
gg
g
• perdite trafilamento ridotte
• soluzione quasi sempre adottata
Pompe centrifughe
Pompe centrifughe
Tipo di palettatura allo scarico
• pale in avanti v
pale in a anti 2 maggiore Æ
maggiore Æ H,l maggiori
H l maggiori
• v2 maggiore Æ perdite di carico maggiori, rendimenti peggiori
• pale all’indietro soluzione più utilizzata
Pompe centrifughe
Diffusore
• camera libera
camera libera
• palettato
• doppia voluta
doppia voluta
Pompe centrifughe
Girante a doppia aspirazione , alternativa a due pompe montate in parallelo
montate in parallelo
Pompe centrifughe
Pompa multistadio
Pompa multistadio
Pompe centrifughe
Pompa a 6 stadi contrapposti
Pompa a 6 stadi contrapposti
Pompe a flusso misto
•
•
•
viene ridotta la prevalenza fornita all’aumentare della portata smaltita (aumenta ωs )
effetto di centrifugazione ridotto
aumenta l’effetto di reazione fornito dalla curvatura della pala
t l’ ff tt di
i
f it d ll
t
d ll
l
Pompe a flusso misto
•
rappresentiamo 3 giranti con effetto di centrifugazione decrescente (ωs crescente)
Pompe assiali
•
•
•
il flusso nell’attraversamento della macchina subisce una deviazione nella sola direzione tangenziale
deviazione nella sola direzione tangenziale
aumento altezza di pala Æ pale svergolate
regolazione incidenza in funzione della portata a parità di
regolazione incidenza in funzione della portata a parità di numero di giri
Pompe assiali
SVERGOLAMENTO DELLE PALE
• aumenta U all’aumentare del raggio, se velocità ingresso V aumenta U all’aumentare del raggio se velocità ingresso V
costante devo variare angolo geometrico all’attacco per ridurre l incidenza
l’incidenza
• deve conservarsi Vsinα
• vortice libero R*Vt=costÆ l=cost.
Pompe speciali
•
Canali di passaggio molto ampi per impedire il bloccaggio causato da impurità
Pompe speciali
•
Pompa auto‐adescante‐1
1. pompa è in quiete, il fondo è riempito di liquido ed il condotto d'aspirazione è pieno d'aria
2. la girante è posta in rotazione, provocando, in tal modo una depressione all'ingresso ed una compressione alla periferia: l'acqua contenuta nel fondo ll'i
d
i
ll
if i l'
t
t
lf d
è così in parte aspirata e spinta nel condotto di mandata (da dove ricadrà nella pompa a causa dell'assenza di continuità della vena fluida) ed in parte spruzzata contro la girante attraverso un piccolo orifizio
spruzzata contro la girante attraverso un piccolo orifizio.
Pompe speciali
•
Pompa auto‐adescante‐2
3. Il getto che si è in tal modo formato trascina con sé una certa quantità d'aria che è centrifugata e inviata alla mandata, rimanendo inglobata nella fase liquida sotto forma di bolle che, per effetto della spinta idrostatica, fluiranno verso l'alto nel condotto di mandata. Via via viene eliminata tutta la quantità di aria
4. la valvola di fondo si chiude, impedendo così l'alimentazione del getto e permettendo alla pompa di funzionare come una normale pompa centrifuga.
if
Pompe speciali
Pompa di estrazione
P
di
i
• pozzi da 75 mm di diametro a 625 mm
diametro a 625 mm
• portate 1‐2 m3/h sino a 2000 m3/h
Caratteristiche interne di una pompa
Caratteristica ideale
gH = L = U 2V2t − U1V1t
Q = A ⋅W2 senβ 2
A sezione della macchina a D2 A=
sezione della macchina a D2
diminuita dell’ingombro delle pale
Caratteristiche interne di una pompa
Caratteristica ideale
U2 ⎛ Q
⎞
H=
⎜ cot β 2 + U 2 ⎟
g ⎝A
⎠
Caratteristiche interne di una pompa
Caratteristica reale Æ si ottiene da quella ideale sottraendo le perdite concentrate e le perdite ditribuite
perdite concentrate e le perdite ditribuite
gH reale = gH ideale − YTOT
•
Perdite distribuite nel distributore, in girante e nel diffusore; in forma sintetica possono essere espresse dalla relazione:
Yidist = ∑
vi2 li
vi2
fi
= ∑ ki
2 g Dh
2g
• dove fi è il coefficiente d'attrito, Dh è il diametro idraulico della sezione, li è la lunghezza del tratto e vi è la velocità del fluido nella corrispondente sezione. d
• Nell'ipotesi semplificativa di coefficiente d'attrito costante, ll'andamento
andamento delle perdite distribuite in funzione della portata è delle perdite distribuite in funzione della portata è
parabolico ed esse si annullano per portata erogata nulla.
Caratteristiche interne di una pompa
•
Perdite localizzate che possono essere ulteriormente suddivise in: perdite d'imbocco e per incidenza all'ingresso girante, perdite per diffusione allo scarico girante, perdite per urto nel diffusore:
nel diffusore:
Yiloc
= Yiloc
l
l min
i
2
&
&
+ ∑ k (V − V0 )
'
i
dove k'i dipende essenzialmente dalla geometria delle diverse sezioni ed è praticamente indipendente da Re. Le perdite l l
localizzate presentano, quindi, un minimo per una portata erogata d
dalla pompa per la quale gli angoli di flusso sono in accordo con gli angoli geometrici costruttivi
angoli geometrici costruttivi.
Caratteristiche interne di una pompa
Caratteristica reale Æ si ottiene da quella ideale sottraendo le perdite concentrate e le perdite ditribuite
perdite concentrate e le perdite ditribuite
H reale = H ideale − YTOT
Caratteristiche interne di una pompa
Caratteristiche interne di una pompa
Accoppiamenti
pompe in parallelo = uguale prevalenza
pompe in parallelo = uguale prevalenza
pompe in serie = uguale portata
pompe in serie = uguale portata