In un’era in cui si è presa coscienza che lo stile di vita nei paesi industrializzati comporta uno sfruttamento delle risorse naturali non a lungo sostenibile ed una produzione eccessiva di composti dannosi per l’ambiente, risulta necessario per tutti i settori dell’ingegneria e della produzione industriale muoversi verso soluzioni che siano ecosostenibili. Rivolgendo l’interesse al settore dei trasporti terrestri, vengono considerate come fonti di inquinamento principali le emissioni allo scarico dei motori a combustione interna alternativi. I recenti accordi in ambito internazionale, volti alla riduzione delle emissioni allo scarico delle macchine motrici sopracitate, spingono i produttori di tali mezzi propulsivi a soluzioni costruttive innovative. In particolare, facendo riferimento agli MCI per autotrazione si può affermare che si è spettatori della una nuova filosofia progettuale del downsizing dei motori, ovvero un’operazione di riduzione della cilindrata di un MCI. Infatti è attraverso questa strada che si rende possibile la riduzione dei consumi di combustibile e quindi delle emissioni. Tuttavia deve essere tenuto ben presente che nonostante questa riduzione di cilindrata, per esigenze di mercato deve essere possibile ottenere dai motori stessi valori di
24 potenza erogata simili a quelli che caratterizzano gli MCI fino ad ora prodotti. La soluzione è stata trovata attuando delle procedure di sovralimentazione dei motori a combustione interna. Infatti attraverso un MCI di taglia inferiore sovralimentato, è possibile ottenere un minor consumo di combustibile a parità di potenza massima erogabile, in tutte le condizioni di funzionamento.
1.6.1 Le curve caratteristiche dei compressori centrifughi
Le prestazioni dei compressori centrifughi vengono solitamente rappresentate per mezzo di due mappe caratteristiche: una raffigura l’andamento del rapporto di compressione al variare della portata di fluido per diversi valori del regime di rotazione della macchina, l’altra mostra gli andamenti del rendimento al variare della portata per diversi regimi di rotazione della macchina.
25 Fig. 1.21 – Tipico andamento del rendimento in funzione della portata
Nella Fig. 1.20 sono evidenziate due particolari curve: la linea di pompaggio (surge line) e la linea di bloccaggio (choke line). Entrambe delimitano il campo di funzionamento della macchina, cioè forniscono per ogni valore del rapporto di compressione, i limiti all’intervallo di portate in cui essa può operare. La surge line rappresenta il confine tra la zona di funzionamento stabile ed instabile della macchina: a sinistra di tale curva si verificano delle condizioni di instabilità dovute a stallo rotante o a fenomeni di pompaggio. La choke line è rappresentativa del fenomeno del bloccaggio della portata, legata al raggiungimento delle condizioni soniche. La posizione e la forma di queste due curve può essere indicativamente prevista andando ad agire sui vari componenti costitutivi della macchina. Per ciò che riguarda la linea di bloccaggio, un accorgimento che può essere utilizzato al fine di non ridurre i valori di portata ai quali essa si presenta ed avere un flusso sufficientemente guidato, consiste nell’adottare rotori con pale splitter. Un altro modo per modificare la posizione della linea di pompaggio e della linea di bloccaggio è legato alla scelta del trim del rotore. Il trim è una grandezza tipica della girante la cui espressione analitica è la seguente: 2 2 100 in out R TRIM R (1.30)
26 Fig. 1.22 – Effetto del trim sulle curve caratteristiche
Fig. 1.23 – Mappe di compressori vaned ed unvaned
In Fig. 1.22 è possibile notare come si modifichino le curve limite al variare di tre diversi valori del trim. Anche la scelta del tipo di diffusore ha di fatto influenza sull’ampiezza del possibile campo di funzionamento della macchina. In Fig. 1.23 si può infatti osservare come l’adozione di un diffusore palettato limiti maggiormente i valori di portata ammissibili per un dato valore del rapporto di compressione rispetto al caso di diffusore non palettato. L’effetto appena evidenziato è facilmente osservabile sia nella zona in prossimità della surge line che in quella della choke line. Per bassi valori di portata, la riduzione della zona ammissibile che si ha utilizzando il diffusore palettato, è giustificata dal raggiungimento della condizione di stallo della palettatura. Per alti valori di portata invece, la riduzione dei valori massimi si giustifica con la sezione minima di passaggio del fluido ridotta, in virtù della presenza della palettatura del diffusore. Inoltre, l’utilizzo di un diffusore palettato permette il raggiungimento di un’efficienza maggiore, pertanto tale
27 scelta risulta più idonea in quelle applicazioni dove non si opera in ampi intervalli di condizioni di funzionamento.
Risulta a questo punto importante sottolineare che le modifiche alle posizioni assunte dalle curve limite fino ad ora presentate, sono rese possibili mediante soluzioni che devono essere valutate in fase di progetto della macchina. Infatti, una volta definiti i componenti, la posizione delle curve risulterà fissata. Per completezza si riportano anche due metodologie che permettono di modificare tali curve anche a macchina già assemblata: IGV e geometria variabile. Tali soluzioni però vengono scarsamente impiegate nelle applicazioni automotive a causa delle problematiche in fase di progettazione e per il necessario utilizzo di sistemi di controllo dedicati che aumentano notevolmente i costi.
Quindi le principali caratteristiche delle curve prestazionali dei compressori centrifughi possono essere sintetizzate come segue:
– conformazione delle curve iso-velocità poco pendenti vicino alla surge line
– rapporto di compressione massimo legato alla velocità di rotazione della macchina – presenza della zona di instabilità che rende impossibile ottenere alti rapporti di
compressione con basse portate
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