Il circuito di prova ed il sistema di acquisizione

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Il circuito di prova ed il sistema di acquisizione

4. Il circuito di prova ed il sistema di acquisizione

In questo capitolo si presenta il circuito di ALTA S.p.A dove vengono effettuate le prove di caratterizzazione di induttori e di pompe centrifughe. Vengono presentati i componenti principali e le configurazioni possibili per l’impianto: la configurazione di base CPTF (Cavitating Pump Test Facility), la CI2TF (Cavitating Induced Instability Test Facility), per lo studio delle instabilità fluidodinamiche ed infine la CI2RTF (Cavitating Induced Instability and Rotordynamic Test Facility), pensata per poter studiare contemporaneamente i fenomeni di instabilità fluidodinamica e le forze rotodinamiche. Le varie configurazioni possibili per l’impianto hanno, in realtà, molti componenti in comune. Di seguito si riporta una descrizione generale dei vari componenti che costituiscono il circuito. Successivamente si passerà ad evidenziare le differenze tra le diverse configurazioni dell’impianto. Nella parte finale si descrivono i sistemi impiegati per l’acquisizione dei dati.

4.1. Descrizione dei componenti dell’impianto

Di seguito si riporta una schematizzazione della configurazione adottata per l’impianto e successivamente una rappresentazione del complessivo dell’impianto, che permettono di identificare i componenti che successivamente saranno analizzati e la loro posizione relativa.

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Caratterizzazione sperimentale di induttori cavitanti e del sistema di misura delle forze rotodinamiche 66 Mo to re p ri n c ip a le G iu n to o m o cin e ti c o C a m e ra d i p ro v a T ra v i d i s o s teg n o S ta ff e d i s m o n ta g g io B o lli to re V a lv o la F lu s s im e tr o 4" R a d d ri z z a to re 4 " C o m p e n s a to re 4 " F lu s s im e tr o 6 " R a d d ri z z a to re 6 " C o m p e n s a to re 6 " S p e c o la v is iv a

Figura 4-2: Complessivo del circuito.(Cervone [1])

A sp ir a zi o n e M a n d a ta 1 2 3 4 4

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Serbatoio (B)

Il serbatoio, con capacità volumetrica di 500 l

(camera d’aria) che funziona da camera d’aria, che permette, entro certi limiti, di contenere le variazioni di volume che possono generarsi durante il funzionam

camera d’aria è inoltre collegata, oltre che con l’ un circuito di pressurizzazione

Figura 4-3: Il serbatoio

Le funzioni principali del serbatoio sono: • fare da serbatoio per l

• permettere l’evacuazione di parte del gas disciolto nell’acqua

• garantire un certo intervallo di tempo di permanenza dell’acqua per permettere alle bolle di maggiori dimensioni di poter risalire per la spinta d

consentendo, in questo modo, di evitare di aver bolle già in ingresso al condotto di aspirazione;

• contenere vari dispositivi ed elementi per la regolazione della pressione

circuito, per l’assorbimento delle fluttuazioni di portata durante il funzionamento del circuito, per la variazione di temperatura del circuito, per la prevenzione dalla corrosione.

Di seguito si riportano i principali componenti direttamen loro funzione.

Anodo sacrificale

Realizzato in magnesio, serve per prevenire

Figura

, con capacità volumetrica di 500 litri, contiene al suo interno una mem che funziona da camera d’aria, che permette, entro certi limiti, di contenere le variazioni di volume che possono generarsi durante il funzionamento dell’impianto. Questa camera d’aria è inoltre collegata, oltre che con l’atmosfera tramite un’opportuna valvola un circuito di pressurizzazione-depressurizzazione, come visibile in Figura

: Il serbatoio, componenti interni e dimensioni di ingombro principali. rincipali del serbatoio sono:

fare da serbatoio per l’acqua circolante nel circuito;

permettere l’evacuazione di parte del gas disciolto nell’acqua;

garantire un certo intervallo di tempo di permanenza dell’acqua per permettere alle bolle dimensioni di poter risalire per la spinta di Archimede

consentendo, in questo modo, di evitare di aver bolle già in ingresso al condotto di contenere vari dispositivi ed elementi per la regolazione della pressione

circuito, per l’assorbimento delle fluttuazioni di portata durante il funzionamento del circuito, one di temperatura del circuito, per la prevenzione dalla corrosione.

Di seguito si riportano i principali componenti direttamente connessi con il serbatoio e la

Realizzato in magnesio, serve per prevenire i possibili danni causati dalla corrosione.

Figura 4-4: Anodo sacrificale in magnesio, presente nel serbatoio. Camera d’aria

(Bladder)

Anodo sacrificale in magnesio

Fasce tubiere per il riscaldamento

contiene al suo interno una membrana che funziona da camera d’aria, che permette, entro certi limiti, di contenere le ento dell’impianto. Questa atmosfera tramite un’opportuna valvola, con

Figura 8-6 del capitolo 8.

, componenti interni e dimensioni di ingombro principali. (Cervone [1]).

garantire un certo intervallo di tempo di permanenza dell’acqua per permettere alle bolle rchimede fino al pelo libero, consentendo, in questo modo, di evitare di aver bolle già in ingresso al condotto di contenere vari dispositivi ed elementi per la regolazione della pressione all’interno del circuito, per l’assorbimento delle fluttuazioni di portata durante il funzionamento del circuito,

one di temperatura del circuito, per la prevenzione dalla corrosione.

te connessi con il serbatoio e la

i possibili danni causati dalla corrosione.

ente nel serbatoio.

1 6 9 0 m m ø 650 mm

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Caratterizzazione sperimentale di induttori cavitanti e del sistema di misura delle forze rotodinamiche

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Fasce tubiere per il raffreddamento

Il raffreddamento dell’acqua nel circuito viene realizzato per mezzo di una serie di fasce tubiere in acciaio inossidabile, all’interno delle quali può circolare acqua a temperatura ambiente o raffreddata mediante un impianto frigorifero (chiller).

Riscaldamento

Il riscaldamento dell’acqua del circuito viene realizzato mediante due resistenze elettriche, da 5 kW ciascuna, collegate ad un termostato per consentire la regolazione della temperatura. Nella Figura seguente, tratta da Cervone ([1]), sono evidenziati il tempo necessario per effettuare il riscaldamento dell’acqua, inizialmente ipotizzata alla temperatura di 10 °C. Sono poste a confronto le velocità di riscaldamento con una sola resistenza attiva (in rosso) e con entrambe.

Figura 4-6: Tempo necessario per il riscaldamento dell'acqua con una o con entrambe le resistenze elettriche attivate. La temperatura iniziale dell'acqua è supposta pari a 10 °C. (Cervone [1])

Camera d’aria

La camera d’aria all’interno del serbatoio resiste a pressioni variabili da 0.01 a 6 atm e fino a temperature di 100 °C. I suoi principali compiti sono:

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 12 14 Resistenza da 5 kW Resistenza da 10 kW

temperatura dell'acqua del circuito (C)

tem p o ( o re)

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• assorbire le fluttuazioni di portata volumetrica dovute alle auto oscillazioni del sistema ed alle variazioni di densità del liquido a seguito di variazioni di temperatura dello stesso;

• permettere la pressurizzazione - depressurizzazione del liquido per ottenere la pressione desiderata in ingresso alla pompa.

I circuiti di travaso e pressurizzazione - depressurizzazione del circuito

Il serbatoio è collegato ad altri circuiti ausiliari. Uno schema del collegamento con i circuiti esterni è rappresentata nella Figura 4-8.

Figura 4-7 : Schema dei circuiti di travaso e di pressurizzazione-depressurizzazione.(Cervone [1]) Il circuito di travaso ha lo scopo di mettere in comunicazione il serbatoio, attraverso un foro presente sulla sua parte inferiore, con il serbatoio principale dell’acqua, costituito da un grosso contenitore in materiale plastico dalla capacità di 1000 litri, che può contenere l’acqua ogni volta che viene svuotato il circuito. Tuttavia nel caso della presente tesi, è stato necessario, ogni volta che doveva essere smontato e rimontato il circuito, disperdere l’acqua nello scarico, mediante opportuna circuiteria con pompa dedicata, e ricaricare il circuito con acqua corrente nuova. Questo si è reso necessario perché, rimanendo l’intero impianto inattivo per diversi anni, il serbatoio principale si è riempito, sul fondale, di alghe e depositi, che sarebbero altrimenti entrati nel circuito. Comunque il flusso tra i due serbatoi viene garantito, se necessario, da due elettropompe capaci di sopportare portate di 50 l/min ed una prevalenza di 2 atmosfere.

Il sistema di pressurizzazione – depressurizzazione svolge fondamentalmente due compiti: consentire lo svuotamento periodico della sacca di gas che si sviluppa al di sopra del pelo libero del liquido, per effetto della risalita e dell’accumulo di bolle di gas e vapore; pressurizzare – depressurizzare il circuito, immettendo o svuotando d’aria la membrana di pressurizzazione. Quest’ultimo compito risulta di fondamentale importanza per l’esecuzione delle prove. La pressurizzazione del circuito viene effettuata mediante una linea di d’aria compressa, mentre la depressurizzazione viene effettuata mediante l’utilizzo di una pompa a vuoto in grado di generare livelli di vuoto (dell’ordine di 10-2) dell’ordine di quelli necessari per ottenere le pressioni minime desiderate. La velocità di svuotamento della pompa (5÷10 m3/h) non è molto elevata, ma garantisce comunque tempi di svuotamento ragionevoli, essendo il volume da evacuare piuttosto limitato (solo il volume d’aria contenuto nella camera d’aria).

Nella linea è presente anche una riserva di vuoto, il cui funzionamento sarà spiegato nel capitolo 8.

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Tubazioni

Nel circuito sono impiegati differenti tubi per dimensione. Di seguito si riportano le dimensioni radiali principali dei tubi per i condotti di aspirazione e di mandata.

Diametro interno Spessore

Aspirazione 164.3 mm _{2 mm}

Mandata 110.3 mm _{2 mm}

Tabella 4-1: Dimensioni principali delle tubazioni del circuito.

Va precisato che, sul lato di aspirazione, nella configurazione impiegata, esistono dei tubi di dimensioni radiali diverse rispetto a quelle sopra riportate. Di seguito si riportano le dimensioni principali per tutte le serie di tubi componenti il circuito e le posizioni di questi, riportate anche in Figura 4-2 evidenziate con differenti colori.

Tratto considerato (n°) Diametro interno (mm) Lunghezza complessiva (mm) Colore identificativo 1 Vedi Tabella 4-1 (Aspirazione) 665 Rosso 2 144.4 600 Blu 3 144.4÷166 825 Arancione

4 Vedi Tabella 4-1 (Mandata) 2850 Verde

Tabella 4-2: Dimensioni principali delle varie tubazioni costituenti il circuito.

Le tubazioni sono tutte realizzate in acciaio AISI 316 che garantisce delle buone proprietà meccaniche (σ_{௦௡௘௥௩௔௠௘௡௧௢}=205 MPa e σ_{௥௢௧௧௨௥௔}=490 MPa), che si conservano anche, senza apprezzabili variazioni, per tutto l’intervallo di temperature che va da 0 °C a 100 °C. Inoltre tale materiale presenta anche buona resistenza alla corrosione, necessaria per lo stretto contatto con l’acqua e per evitare un assottigliamento delle pareti a causa della corrosione, con conseguente rilascio di particelle di ossido che andrebbero a sporcare il fluido, aumentando il numero di nuclei di cavitazione.

Compensatore elastico (CE)

Ci sono due compensatori elastici nel circuito. La loro funzione è quella di sopportare, grazie alla deformabilità del materiale di cui sono fatti, possibili disallineamenti assiali, radiali e angolari presenti tra i tubi, dovuti a errori di montaggio o errori di fabbricazione. Inoltre garantiscono, proprio grazie alla loro deformabilità, un buon isolamento dalle vibrazioni, rappresentando di fatto dei punti di separazione dinamica tra le varie parti del circuito. Il compensatore presente nella linea di aspirazione ha l’importante ruolo di permettere lo smontaggio ed il montaggio del sistema. Infatti sfruttando la deformabilità del materiale del compensatore, è possibile contrarlo, permettendo l’arretramento della linea di aspirazione dalla camera di prova.

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Lunghezza totale a riposo ( Pressione massima di esercizio

Compressione assiale max. Estensione assiale max. ammissibile

Deformazione radiale max. Deformazione angolare max.

Tabella 4-3:

Flussimetro di aspirazione e di mandata

Sono presenti due flussimetri nel circuito: uno sul lato di aspirazione, l’altro su quello della mandata. Quelli impiegati sono flussimetri elettromagnetici. Questi sono impiegati proprio per la non intrusività del sistema di misurazione, che altrimenti potrebbe sporcare il flusso.

principio di funzionamento dei flussimetri elettromagnetici sfrutta la conducibilità elettrica dell’acqua. Generando un campo magnetico all’interno del tubo

ortogonalmente alla direzione del flusso, questo campo darà luogo ad un campo elettrico misurato per mezzo di opportuni elettrodi

conoscenza, così come quella della dimensione volumetrica che scorre.

Figura 4-8: Il compensato re elastico Dilatoflex K.(Torre [4]

Flussimetro Mandata

Diametro nominale 4”

Lunghezza totale a riposo (Lf) 130 mm

Pressione massima di esercizio 16 bar

Compressione assiale max. ammissibile (LC)

105 mm

Estensione assiale max. ammissibile (Le)

140 mm

Deformazione radiale max.

ammissibile (R) 15 mm

Deformazione angolare max.

ammissibile 14°

Principali caratteristiche del compensatore Dilatoflex K (riprese da

Flussimetro di aspirazione e di mandata (FM)

Sono presenti due flussimetri nel circuito: uno sul lato di aspirazione, l’altro su quello della mandata. Quelli impiegati sono flussimetri elettromagnetici. Questi sono impiegati proprio per

non intrusività del sistema di misurazione, che altrimenti potrebbe sporcare il flusso.

rincipio di funzionamento dei flussimetri elettromagnetici sfrutta la conducibilità elettrica dell’acqua. Generando un campo magnetico all’interno del tubo, di intensità

ortogonalmente alla direzione del flusso, questo campo darà luogo ad un campo elettrico misurato per mezzo di opportuni elettrodi disposti nel flussimetro. Attraverso la sua conoscenza, così come quella della dimensione del tubo, è possibile risalire alla portata volumetrica che scorre.

[4]) Aspirazione 6” 130 mm 16 bar 110 mm 145 mm 15 mm 10° riprese da Cervone [1]).

Sono presenti due flussimetri nel circuito: uno sul lato di aspirazione, l’altro su quello della mandata. Quelli impiegati sono flussimetri elettromagnetici. Questi sono impiegati proprio per non intrusività del sistema di misurazione, che altrimenti potrebbe sporcare il flusso. Infatti il rincipio di funzionamento dei flussimetri elettromagnetici sfrutta la conducibilità elettrica , di intensità ܤ nota e diretto ortogonalmente alla direzione del flusso, questo campo darà luogo ad un campo elettrico ܧ, disposti nel flussimetro. Attraverso la sua del tubo, è possibile risalire alla portata

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Figura 4-9: Il flussimetro elettromagnetico 8705, con trasmettitore integrale 8732 C, prodotto dalla Fisher-Rosemount. Quello fotografato è, in particolare il flussimetro di mandata.

Le caratteristiche principali dei due flussimetri sono:

• capacità di misurare flussi con velocità comprese tra 0.3 e 10 m/s, con una precisione dello 0.5%, ovvero con un errore massimo di 0.05 l/s, e capacità di sopportare fino a 40 atmosfere di pressione,

• rivestimento interno in Tefzel (ETFE), un materiale con proprietà chimiche simili a quelle del teflon, in grado di sopportare temperature comprese tra 29 °C e 149 °C,

• elettrodi di misurazione in acciaio inox AISI 316 L,

• elettronica di trasmissione ed acquisizione dati tutta integrata nel flussimetro, all’interno del trasmettitore modello 8732 C.

I due flussimetri impiegati presentano dimensioni differenti. Di seguito si riportano le caratteristiche dimensionali principali di tali elementi.

Flussimetro Diametro interno (mm)

Lunghezza complessiva (mm)

Aspirazione 144.4 332

Mandata 100.6 250

Tabella 4-4: Dimensioni principali dei flussimetri del circuito. (da Cervone)

Raddrizzatori di flusso (RF)

Lo scopo dei raddrizzatori di flusso è quello di abbattere parte della turbolenza del flusso, prima che questo entri nel flussimetro. Questo abbattimento è importante al fine di avere una lettura da parte dei flussimetri più accurata. La turbolenza di larga scala presente, che deve essere attenuata dai raddrizzatori di flusso, è generata dal passaggio del liquido all’interno delle grandi curve a 90° presenti nel circuito. La generazione della turbolenza può essere spiegata attraverso la seguente Figura.

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Figura 4-10: Schema per la spiegazione della generazione di turbolenza nelle curve del circuito. (Cervone) Il flusso che attraversa il raccordo viene sottoposto ad una forza centrifuga che causa una stratificazione del campo di pressione e di velocità, portando ad un rallentamento del flusso, con corrispondente aumento di pressione, nella parte più esterna del gomito, ed un aumento della velocità, e diminuzione di pressione, nella parte più interna.

generatasi modifica il c Figura 4-10 nella sezione 1

I raddrizzatori di flusso impiegati per l’abbattimento della turbolenza di larga scala sono costituiti da un tratto in honeycomb, realizzato in alluminio, a sezione esagonale e fissati all’interno del tubo di alloggiamento.

raddrizzatore impiegato.

Figura 4-11: Schema del raddrizzatore di flusso, con le dimensioni principali. (Cervone

Il raddrizzatore è tenuto bloccato, nella direzione del flusso, mediante la flangia adiacente, mentre nella direzione opposta è bloccato mediante 4 pioli di diametro pari a 2 mm ciascuno.

ø 164.3 / ø 110.3 mm

: Schema per la spiegazione della generazione di turbolenza nelle curve del circuito. (Cervone) Il flusso che attraversa il raccordo viene sottoposto ad una forza centrifuga che causa una

zione del campo di pressione e di velocità, portando ad un rallentamento del flusso, con corrispondente aumento di pressione, nella parte più esterna del gomito, ed un aumento della velocità, e diminuzione di pressione, nella parte più interna. La differen

modifica il campo di velocità, producendo dei vortici controrotanti, mostrati in nella sezione 1-1.

I raddrizzatori di flusso impiegati per l’abbattimento della turbolenza di larga scala sono costituiti da un tratto in honeycomb, realizzato in alluminio, a sezione esagonale e fissati all’interno del tubo di alloggiamento. Nella successiva Figura si prese

raddrizzatore impiegato.

: Schema del raddrizzatore di flusso, con le dimensioni principali. (Cervone

drizzatore è tenuto bloccato, nella direzione del flusso, mediante la flangia adiacente, mentre nella direzione opposta è bloccato mediante 4 pioli di diametro pari a 2 mm ciascuno.

50 mm Pioli di bloccaggio

ø 164.3 / ø 110.3

: Schema per la spiegazione della generazione di turbolenza nelle curve del circuito. (Cervone) Il flusso che attraversa il raccordo viene sottoposto ad una forza centrifuga che causa una

zione del campo di pressione e di velocità, portando ad un rallentamento del flusso, con corrispondente aumento di pressione, nella parte più esterna del gomito, ed un aumento La differenza di pressione vortici controrotanti, mostrati in I raddrizzatori di flusso impiegati per l’abbattimento della turbolenza di larga scala sono costituiti da un tratto in honeycomb, realizzato in alluminio, a sezione esagonale e fissati si presenta uno schema del

: Schema del raddrizzatore di flusso, con le dimensioni principali. (Cervone [1])

drizzatore è tenuto bloccato, nella direzione del flusso, mediante la flangia adiacente, mentre nella direzione opposta è bloccato mediante 4 pioli di diametro pari a 2 mm ciascuno.

50 mm Pioli di bloccaggio

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Tra l’honeycomb, in alluminio, ed il tubo, in acciaio, è inserito uno stra protettivo in teflon, per evitare un contatto diretto.

Silent Throttle Valve (V)

Questo elemento ha il compito di trasformare l’energia immagazzinata nel liquido sotto forma di pressione in energia interna del liquido stesso. Questo è possibile, facendo compiere al liquido una trasformazione di laminazione. Questa valvola consente di p

buona precisione il salto di pressione realizzato nella valvola, che corrisponde, fatta eccezione per le perdite distribuite lungo il circuito, al salto di pressione generato dalla pompa. La regolazione dell’apertura-chiusura della valvol

oleodinamica a leva controllata manualmente e capace pressioni fino a 300 bar, mostrata nel capitolo

La peculiarità della SIilent Throttle Valve (S.T

laminazione senza produzione di cavitazione nel liquido. In questo modo, oltre a ridurre i problemi di vibrazione ed erosione nella valvola, si limita al minimo la generazione di nuclei di cavitazione, che ben presto finirebbe

Di seguito si presenta lo schema di funzionamento della valvola.

La valvola è costituita da un elemento centrale cilindrico (3), affiancato lateralmente da due elementi tronco-conici (1). Tutti e tre questi elementi sono realizzati in acciaio inossidabile. All’interno dell’elemento cilindrico sono contenuti un elemento in elastomero (2) e due piastre rigide ( 8 e 9) perforate alle quali è incollato l’elastomero. Questo elemento deforma

8’’ e diametro 6’’, presenta 200 fori longitudinali; lo stesso numero di fori è presente nelle due piastre rigide. Il pistone (4), grazie all’azione dell’olio

delimitate dallo stesso pistone, muove lo s

l’elongazione o la contrazione dell’elastomero, variando, in questo modo, il diametro e lunghezza dei fori; in questo modo è possibile “diluire” la caduta di pressione nel liquido, causata principalmente da effetti viscosi, lungo tutta l

funzionamento molto silenzioso della valvola che giustifica il nome datole.

completata dal tappo (5), che garantisce la chiusura della camera del pistone, e da un elemento divergente, che permette di indirizzare il flusso nei passaggi ricavati ai lati di tale camera.

Figura 4-12: Schema concettuale della Silent Throttle Valve. Direzione del flusso

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Tra l’honeycomb, in alluminio, ed il tubo, in acciaio, è inserito uno strato di materiale protettivo in teflon, per evitare un contatto diretto.

Questo elemento ha il compito di trasformare l’energia immagazzinata nel liquido sotto forma di pressione in energia interna del liquido stesso. Questo è possibile, facendo compiere al liquido una trasformazione di laminazione. Questa valvola consente di poter regolare con il salto di pressione realizzato nella valvola, che corrisponde, fatta eccezione per le perdite distribuite lungo il circuito, al salto di pressione generato dalla pompa. La chiusura della valvola viene effettuata mediante una pompa oleodinamica a leva controllata manualmente e capace di erogare olio alla valvo pressioni fino a 300 bar, mostrata nel capitolo 8 in Figura 8-9.

La peculiarità della SIilent Throttle Valve (S.T.V.) è quella di poter permettere il processo di laminazione senza produzione di cavitazione nel liquido. In questo modo, oltre a ridurre i problemi di vibrazione ed erosione nella valvola, si limita al minimo la generazione di nuclei di cavitazione, che ben presto finirebbero per saturare l’intero circuito.

Di seguito si presenta lo schema di funzionamento della valvola.

La valvola è costituita da un elemento centrale cilindrico (3), affiancato lateralmente da due . Tutti e tre questi elementi sono realizzati in acciaio inossidabile. All’interno dell’elemento cilindrico sono contenuti un elemento in elastomero (2) e due piastre

perforate alle quali è incollato l’elastomero. Questo elemento deforma

8’’ e diametro 6’’, presenta 200 fori longitudinali; lo stesso numero di fori è presente nelle due piastre rigide. Il pistone (4), grazie all’azione dell’olio in pressione, introdotto nelle due camere delimitate dallo stesso pistone, muove lo stelo (7), collegato alla piastra (8). Questo permette l’elongazione o la contrazione dell’elastomero, variando, in questo modo, il diametro e ; in questo modo è possibile “diluire” la caduta di pressione nel liquido, e da effetti viscosi, lungo tutta l’estensione del foro: da qui il funzionamento molto silenzioso della valvola che giustifica il nome datole. La costruzione è completata dal tappo (5), che garantisce la chiusura della camera del pistone, e da un divergente, che permette di indirizzare il flusso nei passaggi ricavati ai lati di tale

1 _{Elementi tronco-conici} 2 _{Elastomero deformabile} 3 _{Alloggiamento cilindrico} 4 _Pistone 5 _Tappo 7 _{Stelo pistone} 8 _Piastra 9 _Piastra

: Schema concettuale della Silent Throttle Valve. flusso

to di materiale

Questo elemento ha il compito di trasformare l’energia immagazzinata nel liquido sotto forma di pressione in energia interna del liquido stesso. Questo è possibile, facendo compiere oter regolare con il salto di pressione realizzato nella valvola, che corrisponde, fatta eccezione per le perdite distribuite lungo il circuito, al salto di pressione generato dalla pompa. La a viene effettuata mediante una pompa di erogare olio alla valvola con ter permettere il processo di laminazione senza produzione di cavitazione nel liquido. In questo modo, oltre a ridurre i problemi di vibrazione ed erosione nella valvola, si limita al minimo la generazione di nuclei di

La valvola è costituita da un elemento centrale cilindrico (3), affiancato lateralmente da due . Tutti e tre questi elementi sono realizzati in acciaio inossidabile. All’interno dell’elemento cilindrico sono contenuti un elemento in elastomero (2) e due piastre perforate alle quali è incollato l’elastomero. Questo elemento deformabile, lungo 8’’ e diametro 6’’, presenta 200 fori longitudinali; lo stesso numero di fori è presente nelle due in pressione, introdotto nelle due camere telo (7), collegato alla piastra (8). Questo permette l’elongazione o la contrazione dell’elastomero, variando, in questo modo, il diametro e ; in questo modo è possibile “diluire” la caduta di pressione nel liquido, ’estensione del foro: da qui il La costruzione è completata dal tappo (5), che garantisce la chiusura della camera del pistone, e da un divergente, che permette di indirizzare il flusso nei passaggi ricavati ai lati di tale

Elastomero deformabile Alloggiamento cilindrico

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Il motore principale

Il motore principale impiegato è un MOOG FASF3V8029 di tipo “ terre rare, capace di fo

velocità di rotazione (Ω

secondo tre diverse modalità di controllo: in controllo di coppia, in controllo di velocità e di posizione. In controllo di coppia il motore mantiene costante la coppia trasmessa all’albero motore con una precisione dell’ordine del 10%. Il controllo di velocità permette di mantenere costante la velocità del motore ed è questa la situazione tipicamente

effettuate di caratterizzazione delle prestazioni in regime cavitante e non. Gli errori

possono essere, in questo caso, di ±3 rpm. In controllo di posizione si ha la possibilità di implementare la configurazione di “alber

sincronizzare le velocità angolari di due alberi, in modo che il loro rapporto rimanga pressoché costante e pari ad un valore prefissato (

una coppia di ruote dentate o per mezzo di una cinghia sincrona commette in controllo di posizione è di ±1°.

Tabella Piastra rigida perforata (9).

Figura 4-13 :Silent Throttle Valve.

otore principale

Il motore principale impiegato è un MOOG FASF3V8029 di tipo “brushless

terre rare, capace di fornire coppie al massimo fino 100 Nm e potenza massima di 30 kW. La Ω) massima raggiungibile è 3000 rpm. Il motore può essere impostato secondo tre diverse modalità di controllo: in controllo di coppia, in controllo di velocità e di osizione. In controllo di coppia il motore mantiene costante la coppia trasmessa all’albero motore con una precisione dell’ordine del 10%. Il controllo di velocità permette di mantenere costante la velocità del motore ed è questa la situazione tipicamente

effettuate di caratterizzazione delle prestazioni in regime cavitante e non. Gli errori

possono essere, in questo caso, di ±3 rpm. In controllo di posizione si ha la possibilità di implementare la configurazione di “albero elettrico”, ovvero una configurazione capace di sincronizzare le velocità angolari di due alberi, in modo che il loro rapporto rimanga pressoché pari ad un valore prefissato (proprio come nel caso di due alberi connessi mediante ruote dentate o per mezzo di una cinghia sincrona a denti). L’errore che si commette in controllo di posizione è di ±1°.

Figura 4-14 : Immagine del motore principale. (Torre [4]

Lunghezza 1000 mm

Diametro 100.6 mm

Tabella 4-5: Principali dimensioni della Silent Throttle Valve. Piastra rigida

perforata (9).

brushless”, con magnete a

rnire coppie al massimo fino 100 Nm e potenza massima di 30 kW. La . Il motore può essere impostato secondo tre diverse modalità di controllo: in controllo di coppia, in controllo di velocità e di osizione. In controllo di coppia il motore mantiene costante la coppia trasmessa all’albero motore con una precisione dell’ordine del 10%. Il controllo di velocità permette di mantenere costante la velocità del motore ed è questa la situazione tipicamente impiegata per le prove effettuate di caratterizzazione delle prestazioni in regime cavitante e non. Gli errori in velocità possono essere, in questo caso, di ±3 rpm. In controllo di posizione si ha la possibilità di o elettrico”, ovvero una configurazione capace di sincronizzare le velocità angolari di due alberi, in modo che il loro rapporto rimanga pressoché proprio come nel caso di due alberi connessi mediante a denti). L’errore che si

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Figura 4-15 : Schema del motore FASF3V8029 (Cervone

Tramite un programma è possibile controllare la legge oraria seguita dal motore; è inoltre possibile controllare la posizione angolare, la velocità e la coppia

Come già accennato, il motore può essere accoppiato ad un motore secondario, che genera un moto di whirl (߱), impostando a piacimento il valore

due motori.

Il motore secondario

Il motore secondario, anch’esso

motore principale. Questo motore viene impiegato solo nella configurazione CPRTF (per le prove rotodinamiche), con lo scopo di generare un moto di “

rotore, con una velocità di rotazione principale mediante uno schema “master

del rapporto ߱_{ൗ , tra la velocità di rotazione del motore s}_Ω entità che possono variare da 0.05 fino a 10

impostazione può essere effettuata all’inizio di ciascuna prova o durante la prova stessa, mediante l’opportuno programma di controllo dell’

caratteristiche del motore secondario sono :

• capacità di raggiungere velocità di rotazione di 3000 rpm, • capacità di erogare coppie fino a 20 Nm.

Il giunto omocinetico

La trasmissione della coppia generata dal motore principale all’albero su cui è montata la pompa avviene per mezzo di un giunto omocinetico le cui caratteristiche principali sono: • elevata rigidezza torsionale, per garantire un’adeguata correttezza tra la l

posizione angolare dell’albero motore e qu

• capacità di sopportare piccoli disallineamenti tra gli assi degli alberi uniti, anche di natura angolare, dovuti ad imperfezioni di realizzazione e/o di montaggio;

• capacità di trasmissione di una coppia torcente dal motore, pari a 100 Nm.

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: Schema del motore FASF3V8029 (Cervone [1]).

Tramite un programma è possibile controllare la legge oraria seguita dal motore; è inoltre possibile controllare la posizione angolare, la velocità e la coppia istantanea del motore.

l motore può essere accoppiato ad un motore secondario, che genera , impostando a piacimento il valore del rapporto ߱_{ൗ tra le velocità dei}_Ω

, anch’esso brushless, è un modello FASF2V4030 della stessa casa del Questo motore viene impiegato solo nella configurazione CPRTF (per le prove rotodinamiche), con lo scopo di generare un moto di “whirl” dell’asse di rotazione rotore, con una velocità di rotazione ߱. Il motore secondario è in comunicazione con il motore

master-slave”, grazie al quale è possibile impostare il valore

, tra la velocità di rotazione del motore secondario e quello primario, su entità che possono variare da 0.05 fino a 10, con segno concorde o discorde. Questa impostazione può essere effettuata all’inizio di ciascuna prova o durante la prova stessa, mediante l’opportuno programma di controllo dell’azionamento. Le altre principali caratteristiche del motore secondario sono :

capacità di raggiungere velocità di rotazione di 3000 rpm, capacità di erogare coppie fino a 20 Nm.

La trasmissione della coppia generata dal motore principale all’albero su cui è montata la un giunto omocinetico le cui caratteristiche principali sono: elevata rigidezza torsionale, per garantire un’adeguata correttezza tra la lettura della posizione angolare dell’albero motore e quello su cui è montata la pompa;

capacità di sopportare piccoli disallineamenti tra gli assi degli alberi uniti, anche di natura realizzazione e/o di montaggio;

ità di trasmissione di una coppia torcente almeno pari a quella massima sviluppabile

Tramite un programma è possibile controllare la legge oraria seguita dal motore; è inoltre istantanea del motore. l motore può essere accoppiato ad un motore secondario, che genera

tra le velocità dei

è un modello FASF2V4030 della stessa casa del Questo motore viene impiegato solo nella configurazione CPRTF (per le asse di rotazione del . Il motore secondario è in comunicazione con il motore ”, grazie al quale è possibile impostare il valore econdario e quello primario, su , con segno concorde o discorde. Questa impostazione può essere effettuata all’inizio di ciascuna prova o durante la prova stessa, Le altre principali

La trasmissione della coppia generata dal motore principale all’albero su cui è montata la un giunto omocinetico le cui caratteristiche principali sono:

ettura della capacità di sopportare piccoli disallineamenti tra gli assi degli alberi uniti, anche di natura

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Figura 4-16 : Il giunto omocinetico Roba® -D.(Torre [4])

Il giunto impiegato è il modello Roba®-D 911.400, che permette la compensazione dei disassamenti per mezzo di lamine flessibili torsionalmente rigide.

La camera di prova

Questa è la parte dell’impianto dove viene alloggiata la pompa per la caratterizzazione delle prestazioni. La camera è stata progettata con l’idea di poter consentire, con poche modifiche, l’alloggiamento di modelli di turbopompe anche molto diverse tra loro e di poter passare da una configurazione all’altra per effettuare le varie prove.

Figura 4-17 : Disegno CAD della camera di prova. (Milani [2])

La camera può essere suddivisa in tre parti, come visibile nella seguente Figura. Lamine metalliche

Organi di trasmissione: albero, cuscinetti e tenute

(14)

78

Figura 4-18:Spaccato della camera di prova con evidenza delle parti che la compongono. (Milani [2])

Il condotto di ingresso

Questo è realizzato in plexiglas per avere una trasparenza adeguata, permettendo un accesso ottico per poter visualizzare il flusso in ingresso alla pompa studiata. Può fungere, inoltre, da sede per l’induttore della pompa centrifuga a valle (come evidente dalla Figura). In precedenza tale condotto era composto da due elementi in plexiglas: il più esterno rimaneva fisso, mentre il più interno poteva essere sostituito in funzione delle dimensioni radiali dell’induttore che doveva essere provato. Tra i due plexiglas era ricavato un interstizio, di circa 1 mm di spessore, in cui veniva versato una soluzione di idruro di sodio (NaI) o olio minerale con un indice di rifrazione molto vicina a quella del plexiglas, onde evitare fenomeni di distorsione ottica all’interno del condotto. Attualmente, visto che se ne può fare a meno, il plexiglas più esterno non viene più utilizzato, facilitando e velocizzando tutte le operazioni di smontaggio e rimontaggio.

Il modello di prova ed il blocco di contenimento

Il blocco di contenimento è la cassa di forma cilindrica, realizzata in lega d’alluminio aeronautica, chiusa anteriormente e posteriormente per mezzo di due coperchi, e collegata alla struttura di sostegno del circuito. La camera di prova può essere velocemente riconfigurata per provare differenti modelli di pompe centrifughe in combinazione con varie tipologie di volute, di differente geometria. L’alloggiamento offre dimensioni interne fino a 500 mm di diametro e 281 mm di lunghezza assiale e consente di operare fino a pressioni massime di 11 bar.

L’albero, i cuscinetti e le tenute

Questi sono gli elementi più critici della camera di prova, in quanto hanno il compito di mettere in rotazione il complesso pompa e induttore, trasmettendo la coppia fornita dal motore e sopportando, oltre al peso della pompa, anche le forze e le vibrazioni causate dall’interazione della pompa stessa con il fluido di lavoro. Il gruppo cinematico è costituito,

Condotto d’ingresso Modello di prova ed il blocco di contenimento L’albero i cuscinetti e le tenute

(15)

anteriormente, da un cuscinetto a rulli cilindrici, e, posteriormente, da una coppia di cuscinetti obliqui a sfere contrapposti.

La tenuta radiale è garantita dalle “tenute flangiate per moto rotante ed alternato”, costituite da un corpo flangiato in materiale plastico e da un elemento attivatore, costituito da una molla in acciaio inossidabile.

La struttura di sostegno e le staffe di smontaggio

Le tubazioni del circuito sono appoggiate su degli elementi colonna, evidenziati nella successiva Figura, costituiti da un tratto di tubo cilindrico saldato alle due estremità a piastre rettangolari. Questi elementi sono, a loro volta,

posizionati e agganciati mediante bulloneria, alla struttura di sostegno principale. La regolazione dell’altezza dei tubi viene effettuata mediante “binari” cilindrici, facendo variare la distanza tra questi “binari”. In questo modo è possibile raggiungere con buona precisione la posizione voluta dell’asse delle tubazioni. Quando l’asse del tubo si trova all’altezza desiderata, la posizione dei due binari viene fissata stringendo l’apposito bullone di collegamento. Il tubo viene, inoltre, ancorato al supporto mediante due cavallotti, necessari onde evitare possibili movimenti del tubo causati dalle intense vibrazioni che si sviluppano durante le prove cavitanti.

Le staffe di smontaggio sono elementi posizionati in corrispondenza dei due tubi che si interfacciano con il flussimetro di aspirazione. La loro

presenza facilita le operazioni di montaggio e smontaggio della camera di prova, qualora si decidesse di effettuare delle modifiche, come cambiare il tipo di plexiglas (per variare la clearance o per effettuare le prove di instabilità, nel qual caso è necessario ricorrere al plexiglas con accesso per i trasduttori) o cambiare la pompa provata. Infatti, volendo smontare la camera di prova, è necessario liberare un’adeguata quantità spazio; questo è reso possibile agendo sulla staffa posta a valle del flussimetro, avvitando le quattro viti nei fori filettati presenti nella staffa, permettendo, in questo modo, di esercitare una pressione capace di spostare indietro tutti i tubi della linea di aspirazione, sfruttando la comprimibilità del compensatore elastico.

4.2. Configurazioni del circuito

Come già accennato il circuito è riprogrammabile secondo diverse configurazioni. Queste sono:

• CPTF (Cavitating Pump Test Facility): è la configurazione base dell’impianto per la caratterizzazione delle prestazioni in regime cavitante e non di pompe differenti, in Figura 4-19 : Il sistema di sostegno dei tubi. (Milani [2])

Figura 4-20: La staffa per lo smontaggio del circuito (Milani [2]).

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80

similitudine fluidodinamica e termica. Questa configurazione è quella sostanzialmente composta da tutti gli elementi precedentemente descritti, salvo il motore secondario che non viene impiegato in questa modalità.

• CPRTF (Cavitating Pump Rotordynamic Test Facility): è l’evoluzione della CPTF che consente di espandere lo studio sugli induttori e sulle pompe centrifughe, consentendo la conoscenza delle forze rotodinamiche agenti su tali componenti in regime cavitante e non, in condizioni di similitudine fluidodinamica e termica. Questa configurazione prevede, a differenza della CPTF, l’impiego del motore secondario, necessario per generare il moto di precessione (whirl) dell’asse di rotazione della pompa. Questo moto secondario dell’albero della pompa serve per simulare possibili moti eccentrici di precessione dello stesso durante il funzionamento, che potrebbero portare allo sviluppo di forze destabilizzatrici del moto della pompa. Uno schema del funzionamento della CPRTF è mostrato di seguito.

CP-R

AO

ω

MS

Ω

G

MP

Sistema di controllo motori

Figura 4-21: Schema semplificato di funzionamento della CPRTF. (Milani [2])

In questo schema il motore principale (MP) porta in rotazione, alla velocità angolare Ω, l’albero motore su cui è montata la pompa. Il motore secondario (MS) porta in rotazione alla velocità ߱ un altro albero, che mediante opportuno sistema di trasmissione del moto, provoca il moto di whirl dell’albero della pompa. Questo meccanismo può essere spiegato meglio riferendosi alle successive figure.

(17)

L’albero motore primario, su cui è montata la pompa, è posizionato in corrispondenza del foro di un elemento cilindrico, il quale è posto eccentricamente, con eccentricità pari a ݁/2, rispetto all’asse della superficie dell’involucro esterno, che, invece, è fissata al telaio. L’albero motore primario può ruotare rispetto al cilindro, il quale, durante il moto, è invece solidale all’albero motore secondario per mezzo di un opportuno sistema di bloccaggio. Quando il sistema non è in funzione è possibile regolare l’eccentricità dell’albero motore primario, facendo ruotare il cilindro rispetto all’albero motore secondario e l’albero motore principale rispetto al cilindro, fino ad ottenere, per l’asse dell’albero motore primario, con un errore angolare massimo di 1°, l’eccentricità voluta, compresa tra 0 ed 2 mm. Per permettere all’albero motore primario di sopportare delle eccentricità di quest’ordine, viene impiegato il giunto G (in Figura 4-22).

La misurazione delle forze rotodinamiche agenti sulla pompa viene effettuata per mezzo di una bilancia estensimetrica, chiamata dinamometro rotante.

Figura 4-24: Dinamometro rotante con estensimetri.(Saggini [3])

Il dinamometro è costituito da due piastre circolari collegate mediante quattro barrette ricoperte da estensimetri. La rigidezza delle piastre è da considerarsi praticamente infinta se rapportata a quella delle barrette, in modo da poter ritenere che formino un incastro perfetto per questa. La misura delle forze viene effettuata dagli estensimetri incollati sulle barrette, che a seguito dei carichi applicati si deformano producendo delle variazione di resistenza elettrica negli estensimetri, e grazie ad un’apposita calibrazione è possibile risalire ai carichi applicati. Per ulteriori approfondimenti sul dinamometro si rimanda al capitolo 13 dedicato alla sua calibrazione.

Figura 4-23: Composizione vettoriale dell’eccentricità (Torre [4]). Albero motore

primario

Albero motore secondario Cilindro

(18)

82

Per poter ricevere i segnali provenienti dal dinamometro è prima di tutto necessario far passare i fili che provengono dagli estensimetri all’interno dell’albero motore primario, il quale presenta una cavità.

Figura 4-25: I fili del dinamometro che escono dalla cavità dell'albero motore primario.

I fili del dinamometro vengono, quindi, congiunti con dei fili provenienti da un dispositivo a contatti striscianti (slip rings), necessario per poi acquisire il segnale dalla scheda d’acquisizione.

Figura 4-26 : I contatti striscianti (Slip rings). (Milani [2])

Nella Figura successiva si riassumono i principali elementi caratterizzanti la CPRTF e se ne individua la loro posizione relativa.

Fili del dinamometro, raggruppati in quattro cavi termo-ristretti.

(19)

Motore secondario Slip ring Motore Principale RFTF

Figura 4-27: Schema della disposizione dei vari componenti caratterizzanti la CPRTF. (Torre [4])

Di seguito si presenta inoltre lo schema della CPRTF previsto per il DAPAMITO3, il primo induttore per il quale è stato previsto lo studio delle forze rotodinamiche agenti durante il funzionamento.

Figura 4-28: Configurazione rotodinamica per il DAPAMITO3.

1 Tirante 2 Naso DAPAMITO3 3 DAPAMITO3 4 Attacco conico 2 5 Voluta 6 Attacco conico 7 Dado bloccaggio 8 Condotto d’ingresso 9 Plexiglas 10 Dinamometro 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 1 2 3 4 5 6 8 7 9 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 Pompa Giunto G Dinamometro rotante

Foro di passaggio dei fili del dinamometro

(20)

84

• CI2TF (Cavitating Induced Instabilities Test Facility) : è una versione del circuito che

rappresenta una ulteriore evoluzione della CPTF che serve per studiare le instabilità fluidodinamiche in termini di oscillazioni di pressione, causate dall’interazione fluido-pompa in regime cavitante. Questa configurazione presenta delle interfacce compatibili con quelle della CPRTF, in modo da rendere possibile una rapida riconfigurazione dalla CI2TF alla CPRTF. Nella CI2TF la posizione dell’induttore viene spostata in avanti, totalmente al di fuori del piano del coperchio anteriore del blocco di contenimento, in corrispondenza dell’accesso ottico in plexiglas opportunamente modificato per poter alloggiare i trasduttori di pressione differenziale (PCB).

plexiglas

Figura 4-29: Schema della configurazione della CI2TF per lo studio delle instabilità fluidodinamiche.(Testa [5])

Il Plexiglas impiegato varia da induttore a induttore, in modo da poter posizionare i trasduttori di pressione nelle zone più opportune per lo studio delle instabilità. La versione CI2TF viene anche impiegata, con un Plexiglas integro (senza i fori per l’alloggiamento dei PCB), per la caratterizzazione delle pompe in regime cavitante e non, quando si voglia evidenziare i fenomeni che si sviluppano tramite fotografie e/o filmati.

Per lo studio dell’induttore DAPAMITO3, come già fatto in passato per lo studio di altri induttori (vedi Torre [4]), è stata eliminata la pompa centrifuga; questo è necessario per poter studiare i fenomeni che caratterizzano soltanto l’induttore, in quanto altrimenti sarebbero mascherati dalle perturbazioni generate dalla pompa centrifuga. La configurazione adottata per il DAPAMITO3 per le prove di analisi delle instabilità (che coincide praticamente con quelle impiegate per la caratterizzazione delle prestazioni in regime cavitante e non (configurazione CPTF)) è mostrata nella Figura di seguito dove si individuano anche i vari elementi che la caratterizzano.

(21)

Figura 4-30: Configurazione Cࡵ૛_{TF per lo studio delle instabilità fluidodinamiche.}

Come si vede dalla Figura il DAPAMITO3 è collegato ad un albero per mezzo di un attacco conico; l’induttore viene mantenuto in posizione grazie anche ad un tirante, nascosto dal naso dell’induttore e dalla voluta, che indirizza il flusso in uscita dalla pompa. L’albero di trasmissione del moto della pompa è a sua volta collegato per mezzo di un attacco conico ad un elemento collegato al così detto finto dinamometro.

• CI2RTF (Cavitating Induced Instability Rotordynamic Test Facility): sostanzialmente simile

alla precedente versione; utilizza la disponibilità delle interfacce con la CPRTF per sfruttare al massimo la versatilità del sistema, permettendo di effettuare contemporaneamente lo studio delle instabilità fluidodinamiche dal punto di vista delle perturbazioni di pressioni, misurate mediante PCB, e lo studio delle forze agenti sull’induttore mediante l’impiego del dinamometro rotante, consentendo di associare ai fenomeni di instabilità con o senza cavitazione, delle ben precise forze agenti sull’induttore, note in direzione ed intensità istante per istante, e delle immagini chiare di questi fenomeni.

Le caratteristiche principali dell’impianto possono essere riassunte nella seguente Tabella:

Plexiglas con trasduttori di pressione dinamica Naso dell’induttore Finto dinamometro Voluta Tirante Attacco conico 1 Attacco conico 2 Attacco conico 3 DAPAMITO3

(22)

86

Diametro dei tubi del condotto

DN = 6” (condotto di aspirazione)

DN = 4” (condotto di scarico)

Dimensioni massime del modello di prova (basata sulle dimensioni della turbopompa dell’ossigeno liquido del

motore Vulcain)

RTi = 82 mm

RT2 = 112 mm

B2 = 30 mm

Salto di pressione massimo della

pompa pTmax = 10 atm

Pressione massima all’ingresso della

pompa p1max = 6 atm

Pressione minima all’ingresso della

pompa (pT1 – pV)min = 1000 Pa

Portata volumetrica massima Qmax = 0.1 m3/sec

Temperatura massima Tmax = 100°C

Velocità di rotazione massima dei motori

Ωmax =3000 rpm (per il motore primario estendibile a 6000 rpm

per prove su induttori assiali)

Ωmax =3000 rpm (per il motore secondario)

Coppia e potenza del motore principale

Pmax = 30 kW

Tmax = 100 Nm

Coppia e potenza del motore secondario

P2max = 5 kW

T2max = 20 Nm

Eccentricità del moto di precessione _{ߝmax = 2 mm}

Tabella 4-7: Tabella riassuntiva delle principali caratteristiche dell'impianto. (Milani [2])

4.3. Il sistema di acquisizione dati

La strumentazione utilizzata per acquisire i dati consta di:

• due flussimetri elettromagnetici (di cui abbiamo parlato in precedenza) della Fisher-Rosemount, modello 8705, con trasmettitore integrato 8732 C, montati sulla linea di aspirazione e di mandata, per la misura della portata volumetrica (da 0 a 100 l/s).

• Un trasduttore di pressione assoluto, della Druck, modello PMP 1400, con intervallo di pressione da 0 ad 1 bar (in realtà è possibile far leggere a tale trasduttore una pressione maggiore di 1 bar), con un errore al più dello 0.15%, compensato in temperatura tra -15 °C e +80 °C. Questo trasduttore è stato posizionato a terra in corrispondenza dell’ingresso alla pompa (questa scelta però comporta la misurazione da parte del sensore di una pressione aggiuntiva di 0.06 bar, gravando su di esso una colonna d’acqua di 60 cm). Questo trasduttore è necessario per la misurazione della pressione in ingresso alla pompa per poter risalire al valore del numero di cavitazione σ.

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• Un trasduttore di pressione differenziale, della Druck, modello PMP 4170, con campo di misura da 1 bar ( anche questo trasduttore, in realtà, riesce a leggere pressioni differenziali superiori al bar), compensato in temperatura tra -20 °C e +80 °C. Viene impiegato per la misurazione del salto di pressione differenziale provocato dalla pompa; anche questo, come il trasduttore assoluto, si trova posizionato a terra; tuttavia per il trasduttore differenziale, misurando, per definizione, differenze di pressione, la presenza di un battente idrostatico di 60 cm non altera la correttezza della misurazione.

• Un trasduttore di pressione differenziale della Kulite, modello BMD 1P 1500 100, con campo di misurazione tra 0 e 7 bar, con un errore massimo dello 0.1%, compensato in temperatura tra -29 °C e +82°C, per la misurazione del salto di pressione statica generata dalla pompa. Si trova in parallelo con il trasduttore di pressione differenziale della Druck.

• Otto trasduttori (modello PCB M112A22) dinamici realizzati in materiale piezoelettrico impiegati nella misurazione di variazioni dinamiche di pressione dovute all’insorgenza di instabilità fluidodinamiche in regime cavitante. L’effetto piezoelettrico è una proprietà peculiare di certi materiale, come il quarzo, che, se sottoposti a forze esterne, sviluppano una differenza di potenziale tra due superfici opposte, dovuto allo spostamento di cariche che si accumulano su tali superfici. Questo può essere chiarito con la Figura 4-31.

La Figura centrale rappresenta il materiale quando non è sollecitato, nel qual caso non si registra nessuna differenza di potenziale ai suoi capi. Quando viene, invece, trazionato o compresso (caso di sinistra e di destra, rispettivamente), la struttura reticolare del materiale subisce una deformazione che porta ad uno squilibrio di cariche tra due superfici contrapposte e, quindi, alla nascita di una differenza di potenziale (d.d.p.). Da questa d.d.p., opportunamente amplificata, si può risalire alla forza che l’ha generata. Il materiale impiegato nei trasduttori utilizzati è il quarzo, che presenta una rigidezza dell’ordine dei 100 GPa, permettendo la generazione di uscite di tensione “elevate” con una ridottissima deformazione e garantendo caratteristiche di linearità eccellenti per molti campi di applicazione. Se ben accoppiati con un opportuno sistema di condizionamento del segnale possono permettere un rapporto tra segnale e rumore pari a 120 dB. La principale caratteristica dei trasduttori piezoelettrici è quella di registrare solamente dei fenomeni dinamici; pertanto nel caso di un input statico continuo, quale può essere il caso di una pressione barometrica o la misurazione di un peso, l’output iniziale del trasduttore tenderà a decadere, in base al valore della costante di tempo del materiale piezoelettrico e dell’elettronica associata, fino a registrare alla fine un valore nullo (od il valore di offset iniziale del trasduttore).

(24)

88

La costante di tempo del materiale, legata alla capacità ed alla resistenza dello strumento, definisce un filtro passa-alto del primo ordine e quindi permette l’individuazione della frequenza di taglio, ovvero il limite per le misure a bassa frequenza. Le caratteristiche dei trasduttori impiegati sono di seguito tabellati.

A m p ie zz a

Campo dinamico kPa 0.07÷345

Sensibilità (1) mV/kPa 14.5 ± 1.5

Risoluzione kPa 0.007

Max ampiezza (tensione

d’uscita) kPa 345 (5V)

Pressione massima kPa 3450

Linearità (2) %FS <1 R is p o st a i n fr e q u e n za Frequenza di risonanza kHz >250 Tempo di risposta µs <2

Costante di tempo di scarica (3) s >1

Frequenza minima (-5%) (3) Hz 0.5 C a ra tt e ri st ic h e a m b ie n ta li Urto (max) m/s2(g) 196000 (20000) Sensibilità all’accelerazione kPa/m/s2 <0.0014 Intervallo di temperatura oper. °C -73÷135 Coefficiente di temperatura %/°C <0.054

Temperatura massima (flash) °C 1650

C a ra tt e ri st ic h e e le tt ri ch e Polarità Positiva

Impedenza di uscita Ohm <100

Polarizzazione di uscita +Volt 8÷14

Potenza richiesta: tensione +Volt DC 20÷30

Corrente costante mA 2÷20 C a ra tt e ri st ic h e fi si ch e

Elemento sensibile materiale quarzo

Corpo esterno materiale Acciaio

17-4-PH

Diaframma materiale Invar

1. ÷15%

2. in percentuale dell’intervallo di calibrazione; basato sulla migliore retta per l’origine 3. definita come il tempo necessario perché il segnale in uscita si riduca al 37% del suo

valore originario in seguito ad un ingresso a gradino; definisce le capacità di risposta a bassa frequenza.

(25)

I trasduttori vengono po

cui interno ruota l’induttore. La posizione scelta per i trasduttori è critica per avere un’adeguata conoscenza dell’insorgenza di fenomeni di instabilità.

distanza dalle zone nelle quali più probabilmente si svilupperanno l’intensità con la quale questi possono

attenzione alla loro disposizione basandosi sulla geometria dell’induttore provato. sensori sono in grado di operare anche in presenza di

compensazione interna in accelerazione minimizza la sensibilità alle vibrazioni ed una resistenza di scarica elimina automaticamente le componenti statiche

possiedono al loro interno

incorporano un amplificatore microelettronico MOSFET che converte l’uscita di carica ad elevata impedenza in un segnale in tensione a bassa impedenza; lo speciale amplificatore a guadagno unitario permette di ottenere un

fissaggio è flottante così da isolare il sensore dalle deformazioni di fissaggio.

Figura 4-32 : Dimensioni e caratteristiche costruttive e

• Un termometro, costituito da una termoresistenza, ed un termostato posizionati all’interno del serbatoio per permettere la misurazione della temperatura dell’

controllo.

• Un PC dotato del soft

dotato del software di gestione dei due motori • Un sistema di acquisizione

dove l’elemento basilare è la scheda PCI 6024 E della segnali analogici provenien

I trasduttori vengono posti in corrispondenza di adeguate stazioni ricavate sul

cui interno ruota l’induttore. La posizione scelta per i trasduttori è critica per avere un’adeguata conoscenza dell’insorgenza di fenomeni di instabilità. Infatti la

distanza dalle zone nelle quali più probabilmente si svilupperanno detti fenomeni influenza l’intensità con la quale questi possono essere evidenziati. Per cui è necessaria un’adeguata attenzione alla loro disposizione basandosi sulla geometria dell’induttore provato.

sensori sono in grado di operare anche in presenza di forti pressioni statiche. compensazione interna in accelerazione minimizza la sensibilità alle vibrazioni ed una resistenza di scarica elimina automaticamente le componenti statiche

possiedono al loro interno un elemento di quarzo multi-plate ad elevata sensibilità ed un amplificatore microelettronico MOSFET che converte l’uscita di carica ad elevata impedenza in un segnale in tensione a bassa impedenza; lo speciale amplificatore a guadagno unitario permette di ottenere un elevato rapporto segnale

fissaggio è flottante così da isolare il sensore dalle deformazioni di fissaggio.

: Dimensioni e caratteristiche costruttive e di montaggio dei trasduttori PCB. (Torre

n termometro, costituito da una termoresistenza, ed un termostato posizionati all’interno permettere la misurazione della temperatura dell’

n PC dotato del software Labview per la gestione e l’acquisizione digitale dei segnali e ware di gestione dei due motori.

n sistema di acquisizione della National Instruments, schematizzato nella seguente dove l’elemento basilare è la scheda PCI 6024 E della quale è dotato il PC e che raccoglie tutti i segnali analogici provenienti dai vari sensori, e provvede allo loro digitalizzazione.

stazioni ricavate sul Plexiglas al cui interno ruota l’induttore. La posizione scelta per i trasduttori è critica per avere Infatti la maggiore o minore detti fenomeni influenza evidenziati. Per cui è necessaria un’adeguata attenzione alla loro disposizione basandosi sulla geometria dell’induttore provato. Questi forti pressioni statiche. La compensazione interna in accelerazione minimizza la sensibilità alle vibrazioni ed una resistenza di scarica elimina automaticamente le componenti statiche del segnale. I PCB plate ad elevata sensibilità ed un amplificatore microelettronico MOSFET che converte l’uscita di carica ad elevata impedenza in un segnale in tensione a bassa impedenza; lo speciale amplificatore a elevato rapporto segnale-rumore. La vite di fissaggio è flottante così da isolare il sensore dalle deformazioni di fissaggio.

montaggio dei trasduttori PCB. (Torre [4])

n termometro, costituito da una termoresistenza, ed un termostato posizionati all’interno permettere la misurazione della temperatura dell’acqua e tenerla sotto per la gestione e l’acquisizione digitale dei segnali e della National Instruments, schematizzato nella seguente Figura, quale è dotato il PC e che raccoglie tutti i ti dai vari sensori, e provvede allo loro digitalizzazione.

(26)

90

Figura 4-32: Schema del sistema di acquisizione dati. (Milani [2])

I segnali campionati arrivano dapprima alle terminaliere di cui sono dotate i vari moduli impiegati e di qui passano nel buffer della scheda PCI, dove vengono momentaneamente memorizzati, e poi vengono trasferiti sul disco rigido del personal computer con una tecnica denominata DBA, acronimo di Dubble Buffering Acquisition, che permette l’acquisizione continua dei dati. La PCI 6024 E è dotata di 16 canali con una capacità complessiva di 250 kS/s. È possibile, mediante il software di gestione della scheda, poter regolare la frequenza di campionamento di ciascun canale, così come è possibile modificare il guadagno di ciascun segnale.

I moduli impiegati, e ai quali si agganciano le terminaliere, sono:

SCXI 1520: ci sono due moduli di questo tipo; ognuno di questi può ospitare fino a 10 segnali. Provvedono al condizionamento del segnale e sono, inoltre, in grado di fornire un’alimentazione in tensioni fino a 10 V per i segnali che lo necessitano, come quelli dei ponti estensi metrici. A questi moduli arrivano i segnali dei ponti estensimetrici (in tutto 10 segnali) e i segnali di pressione assoluta e differenziale.

SCXI 1531: c’è un solo modulo di questo tipo e serve per raccogliere i segnali provenienti dai trasduttori dinamici. Questo modulo oltre al condizionamento dei segnali dei PCB provvede anche alla loro alimentazione.

• Un sistema di acquisizione del segnale proveniente dai flussimetri. Questo è realizzato mediante l’impiego di un multimetro di precisione Picotest, che, sincronizzato con il software

Labview per l’acquisizione dei dati, campiona e registra sul PC il segnale proveniente dai

flussimetri.

PCI 6024 E Segnali provenienti

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4.4. Bibliografia

[1]-A. Cervone, Progetto costruttivo definitivo di un impianto di prova in similitudine di

turbopompe cavitanti,Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università di Pisa, 2000.

[2]-A. Milani, Progetto e realizzazione di un impianto per prove rotodinamiche su turbopompe, Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università di Pisa, 2002.

[3]-N. Saggini, Sistema di misura delle forze non stazionarie su giranti di turbopompe cavitanti, Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università degli Studi di Pisa, 2002.

[4]-L. Torre, Studio sperimentale delle prestazioni e delle instabilità fluidodinamiche di

cavitazione su un prototipo dell’induttore della turbopompa LOx del motore Vinci, Tesi di

Laurea in Ingegneria Aerospaziale, Università degli Studi di Pisa, 2003-2004.

[5]-R. Testa , Studio sperimentale delle instabilità fluidodinamiche di cavitazione su un

induttore commerciale e sul MK1 della turbopompa LOX di ariane 5, Tesi di Laurea in

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