1 2 3 4 5 6
7 INTRODUZIONE
C C IR I R CU C U IT I TO O P P ER E R L LE E P PR R OV O VE E S SP P E E R R IM I M EN E NT TA A LI L I
In questo capitolo verrà descritto l'impianto di prova per induttori presente presso ALTA- SPACE, precisando le modifiche apportate all’impianto necessarie al montaggio del
“Nautilus”.
5.1 Il circuito
L’apparto sperimentale ha la possibilità di lavorare in due diverse configurazioni, chiamate:
• CPTF: Cavitanting Pump Test Facility;
• CPRTF: Cavitanting Pump Rotodynamic Test Facility.
La differenza tra primo e secondo tipo di configurazione sta nel fatto che nella seconda c’è l’innesto di un gruppo motore che crea le condizioni per lo studio delle instabilità rotodinamiche. Il fluido di lavoro circola in maniera tale da passare dal bollitore attraverso il raddrizzatore, il flussometro, la camera di prova, dove è alloggiata una pompa che ne aumenta la pressione (circuito di aspirazione), per poi tornare al serbatoio principale attraverso il circuito di scarico dove, passando attraverso la valvola, si depressurizza e ritorna nelle condizioni iniziali. Il circuito di prova è stato progettato con lo scopo di essere versatile e facilmente riconfigurabile; tale peculiarità permette, attraverso delle semplici modifiche progettuali, che venga utilizzato per molteplici scopi quali la caratterizzazione di turbopompe centrifughe ed assiali in regime cavitante e non, lo studio di fenomeni rotodinamici e la caratterizzazione del flusso generato su un profilo aerodinamico in condizioni di cavitazione del profilo e non cavitazione della pompa. In figura 5.1- 5.2 – 5.3 sono riportate delle foto del circuito di prova, mentre in figura 5.4 è riportata una schematizzazione del circuito (il complessivo del circuito è riportato in figura 5.5).
Figura 5.2- Visuale del circuito
Figura 5.3- Visuale circuito
Figura 5.4- Schema del circuito
Legenda della figura 5.4:
• B: serbatoio;
• CA: camera d’aria;
• RF: raddrizzatore di flusso;
• FM: flussimetro;
• CP: camera di prova della pompa;
• AO: accesso ottico della camera di prova;
• SV: specola visiva;
• CE: compensatori elastici;
• MP: motore principale;
• M0: motore secondario;
• G: giunto omocinetico e torsionalmente rigido;
• V: silent throttle valve.
Nella tabella 11 sono riportate le specifiche di progetto del circuito sia nella configurazione CPTF, sia nella configurazione CPRTF.
Diametro dei tubi del condotto DN = 6’’(condotto di aspirazione) Salto di pressione massimo della pompa DN = 4’’(condotto di scarico) Pressione massima all’ingresso della
pompa T
p max 10atm
∆ =
Pressione minima all’ingresso della pompa
p1max =6atm Portata volumetrica massima
T V
p 1 p min Pa ( − ) =1000
Temperatura massima Qmax =0.1m3/s
Velocità di rotazione massima dei motori
Ωmax =3000rpm(estendibile a 6000rpm per prove su induttori assiali)
ωmax =3000rpm Coppia e potenza del motore principale P kW
T Nm
max max
30 1000
=
= Coppia e potenza del motore secondario P kW
T Nm
2 max 2 max
5 20
=
= Eccentricità del moto di precessione εmax=2mm
Tabella 12- Specifiche del motore
Figura 5.5- Schema tecnico del circuito
Al serbatoio principale sono affidati la maggior parte dei compiti di regolazione e controllo delle proprietà, pressione e temperatura, del fluido di lavoro. Il serbatoio scelto ha una capacità pari a 500 litri ed è di acciaio inossidabile; è stato realizzato sulla base di un modello già esistente in commercio, prodotto dalla ditta Fenzi, a cui sono state apportate delle modifiche per adattarlo all’ impianto. Il riscaldamento dell’ acqua è effettuato per mezzo di una resistenza elettrica corazzata in acciaio inossidabile, della potenza di 5 Kw, collegata ad un termostato che consente la regolazione della temperatura. Per raffreddare l’acqua viene invece utilizzato uno scambiatore a fascio, anch’esso in acciaio inossidabile. Il serbatoio contiene anche un anodo sacrificale in magnesio per la prevenzione della corrosione, una valvola di sicurezza tarata sulla pressione di 6 atmosfere, e la camera d’ aria per la pressurizzazione della acqua e l’
assorbimento delle fluttuazioni di volume, realizzata utilizzando la membrana estraibile di un vaso di espansione. Al serbatoio sono inoltre connessi un termometro ed un manometro, per consentire la misurazione dei valori di temperatura e pressione al suo interno. Il principale elemento di sostegno del circuito è rappresentato da un tratto di trave ad I, posto al di sotto del condotto di aspirazione della camera di prova e del motore principale. La trave è suddivisa in due spezzoni, collegati tra loro mediante una giunzione ottenuta saldando all’ estremità di ciascuno spezzone una piastra forata; su ciascuno spezzone di trave, inoltre, sono saldati una serie di fazzoletti di rinforzo laterali, posti in corrispondenza delle zone ritenute più critiche dal punto di vista delle sollecitazioni. I due spezzoni di trave, infine, sono collegati ad alcune piastre di appoggio, ancorate a terra mediante tasselli “chimici” in acciaio; il collegamento trave-piastra è garantito da viti M16, che vanno ad impegnarsi in appositi fori filettati ricavati sulla piastra. È molto importante, al fine di garantire le migliori condizioni di funzionamento dell’impianto, assicurare una perfetta planarità tra i tubi del circuito; a tale scopo è stato progettato un particolare sistema di appoggio dei tubi. La tubazione viene appoggiata su un elemento a colonna costituito da un tratto di tubo cilindrico saldato alle due estremità a piastre rettangolari. Una delle due piastre viene imbullonata alla trave di sostegno e permette, mediante il posizionamento di opportuni spessori tra piastra e trave, una prima regolazione di massima dell’altezza della tubazione; sulla seconda piastra sono posizionati due “binari” cilindrici, che rappresentano l’elemento di regolazione vero e proprio. Variando la distanza tra i due binari, infatti, è possibile definire con buona precisione la posizione dell’asse del tubo: il contatto tra tubo e binario, almeno teoricamente, avviene lungo una generatrice, ed i due binari costituiscono una “culla” su cui il tubo va ad adagiarsi. Quando l’asse del tubo si trova all’altezza desiderata, la posizione dei due binari viene fissata serrando i dadi su un’ apposita barra filettata di collegamento, ed il tubo viene ancorato alla piastra tramite un gancio. In figura 5.6 sono riportati la rappresentazione del serbatoio e del collegamento tra le tubazioni.
Figura 5.6- Schema del collegamento delle tubazioni
Il serbatoio è collegato a due circuiti ausiliari, quello di travaso e quello di pressurizzazione e depressurizzazione, come mostrato in figura 5.7.
Figura 5.7- Schema dei circuiti di travaso e pressurizzazione
Per quanto riguarda il circuito di travaso, esso ha lo scopo di mettere in comunicazione il serbatoio con un altro serbatoio “ausiliario”, costituito da un contenitore in materiale plastico della capienza di 1000 litri. Il flusso dell’acqua nei due sensi (carico e scarico) viene garantito da due normali elettropompe periferiche, capaci di fornire una portata di 50 litri al minuto ed una prevalenza di circa 2 atmosfere. Sulla linea del circuito di travaso è stato inoltre inserito un filtro anticalcare, che permette un parziale addolcimento dell’acqua prima della sua immissione nell’impianto. La pressurizzazione della camera d’
aria viene effettuata per mezzo di una linea di aria compressa, mentre la sua depressurizzazione e lo svuotamento della sacca di gas nel serbatoio sono ottenute mediante una pompa a vuoto ad anello liquido: questa pompa è in grado di raggiungere livelli di vuoto compatibili con le pressioni minime che si vogliono ottenere nel circuito (circa 0.05atm), fornendo portate di aspirazione relativamente piccole (tra i 5 ed i 10
m3/h; è indispensabile avere valori così piccoli della portata di aspirazione, visto il piccolo volume della camera d’aria che deve essere svuotata). Sono stati introdotti allo scopo di abbattere parte della turbolenza del flusso i raddrizzatori di flusso, in modo da renderlo il più regolare e laminare possibile. I raddrizzatori di flusso sono costituiti essenzialmente da un tratto di “honeycomb” a sezione esagonale in lega di alluminio, opportunamente fissato all’interno del tubo che lo alloggia. Lungo il circuito sono stati montati due compensatori elastici in gomma: uno nel condotto di aspirazione, immediatamente dopo la curva a 90° che segue il serbatoio, ed uno nel condotto di scarico, subito dopo il tubo di uscita dalla camera di prova. Questi elementi sopportano, grazie alla loro deformabilità, eventuali scompensi assiali, radiali o angolari tra i tubi, dovuti a imprecisioni di costruzione e/o di montaggio, facilitano le operazioni di smontaggio di alcuni tubi del circuito e forniscono un buon isolamento sia dalle vibrazioni, garantendo la separazione dinamica tra i tubi del condotto di aspirazione ed il resto dell’impianto, sia da eventuali arresti improvvisi della pompa. Nel circuito sono presenti due flussimetri, i quali sono stati inseriti per misurare la portata del fluido nel condotto di aspirazione ed in quello di scarico in modo da controllare il flusso nel circuito. I flussometri sono stati prodotti dalla Fisher Rosemont. Un elemento fondamentale per il funzionamento del circuito è la Silent Throttle Valve, che ha il compito di trasformare l’ energia immagazzinata nel fluido sotto forma di pressione in energia interna del fluido stesso, facendogli compiere una trasformazione di laminazione.
È molto importante avere la possibilità di regolare con buona precisione il salto di pressione fornito dalla valvola, in quanto esso corrisponde alla prevalenza a cui lavora la pompa (a meno delle perdite di pressione lungo il circuito); questa regolazione viene effettuata per mezzo di una pompa oleodinamica a leva, capace di erogare alla valvola l’olio di alimentazione con pressioni fino a 300 bar. La particolarità è data dal fatto che essa fa avvenire la laminazione senza che quest’ultima sia accompagnata da fenomeni di cavitazione; vengono così ridotti i problemi di vibrazioni ed erosione della valvola, limitando inoltre al minimo la generazione di nuclei di cavitazione, che finirebbero ben presto con il saturare l’intero circuito. In figura 5.8 sono riportate le fotografie del flussimetro e della Silent Throttle Valve.
Il motore utilizzato per la configurazione CPTF, scelto di tipo “ brushless” per la migliore capacità di risposta agli impulsi forniti dall’elettronica, è anche impiegato nella configurazione CPRTF, accoppiandolo con un opportuno sistema di controllo al motore secondario (che genererà il moto di “whirl” dell’albero della pompa). Le principali caratteristiche sono: la capacità di mantenere costante la velocità di rotazione, scelta prima dell’inizio della prova, la possibilità di impostare a piacimento il valore del rapporto w /W tra le velocità dei due motori su valori maggiori, uguali o minori di 1, interi o razionali, positivi o negativi, in modo da caratterizzare il moto di “whirl” in tutte le possibili condizioni, la possibilità di conoscere istante per istante, il valore della velocità angolare, della posizione angolare dell’albero e della coppia, infine la capacità di funzionare anche a regimi di rotazione particolarmente bassi (dell’ordine della decina di rpm), garantendo comunque la coppia richiesta dalla pompa. In figura 3.10 è mostrata una fotografia del motore montato nell’impianto. Al giunto omocinetico è affidata la trasmissione del moto tra motore principale ed albero, deve sia garantire elevata rigidezza torsionale, si abbia corrispondenza tra la lettura della posizione angolare sull’albero del motore e quella dell’albero della pompa, sia sopportare al tempo stesso possibili disassamenti assiali, radiali o angolari tra i due alberi, sia trasmettere momento torcente almeno pari alla coppia massima che può essere fornita dal motore principale. La configurazione CPRTF prevede la presenza di un motore secondario (M0) collegato alla camera di prova mediante un opportuno sistema di trasmissione del moto, tale da generare una precessione circolare dell’albero della pompa, con valore regolabile del raggio dell’orbita. I due motori sono controllati attraverso un sistema elettronico che regola e mantiene costante il rapporto tra le rispettive velocità di rotazione in modo da generare un moto di whirl. Per lo studio dei fenomeni rotodinamici è previsto, come strumentazione, l’utilizzo di una bilancia. Una schematizzazione del sistema è riportata in figura 5.9.
Figura 5.9- Schematizzazione del sistema con motore secondario
L’ impianto prevede la misurazione dei seguenti parametri operativi:
• Pressioni: la pressione di aspirazione nella pompa viene misurata mediante un trasduttore assoluto, mentre il salto di pressione fornito dalla pompa viene misurato tramite un trasduttore differenziale;
• Temperatura dell’acqua: viene misurata e tenuta sotto controllo mediante un termometro ed un termostato, posizionati all’interno del serbatoio;
• Posizione e velocità angolare dell’albero, coppia e potenza erogate dal motore principale: tutti questi dati vengono forniti dall’elettronica di controllo del motore, e tenuti sotto controllo mediante il “software” fornito dalla ditta costruttrice
La camera di prova è quella parte dell’impianto all’interno della quale è alloggiato il modello di pompa di cui si intendono caratterizzare le prestazioni. Il progetto della camera di prova è stato effettuato in modo tale da consentire, con poche modifiche, di montare al suo interno modelli anche molto diversi di turbopompe. L’ intera camera può essere idealmente suddivisa in tre parti:
• Il condotto di ingresso. Realizzato in plexiglass per garantire la trasparenza consente l’accesso ottico per la visualizzazione del flusso in ingresso al modello di prova; esso, inoltre, funge da sede per la parte assiale della pompa (cioè l’
induttore), che potrà essere montata da sola o insieme alla girante. Tale condotto è costituito da due elementi in plexiglass concentrici, il più esterno dei quali è fisso; l’ elemento più interno può essere invece sostituito per adattare il condotto di ingresso alle dimensioni dell’ induttore che dovrà essere provato all’interno della camera. Tra i due elementi in plexiglass è ricavato un interstizio, dello spessore di 1 mm, da riempire con una soluzione di NaI o di olio minerale, liquido con indice di rifrazione molto vicino a quello del plexiglass per minimizzare i fenomeni di distorsione ottica all’ interno del condotto.
• Il modello di prova ed il blocco di contenimento. Il blocco di contenimento è costituito essenzialmente da un cilindro cavo collegato alla struttura di sostegno del circuito. La chiusura della camera viene assicurata, sia anteriormente che posteriormente, da due coperchi. La camera di prova è stata concepita in modo da avere la possibilità di provare ciascun modello di pompa in combinazione con varie volute, di diverse geometrie e dimensioni, in modo di investigare meglio la configurazione che consente di massimizzare le prestazioni della rangiate ine in questione.
• L’albero, i cuscinetti e le tenute. Questi elementi sono tra i più critici dell’intera camera di prova, in quanto hanno il compito di trascinare in rotazione la pompa, trasmettendole la coppia fornita dal motore. Il gruppo cinematico è costituito da un cuscinetto anteriore a rulli cilindrici e, posteriormente, da una coppia di cuscinetti obliqui a sfere contrapposti. Le tenute radiali scelte sono le “tenute 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.
In figura 5.10 è riportata una foto della camera libera da induttori. In figura 5.11 – 5.12 è mostrata la camera con all’interno un induttore pronto per essere provato e la camera chiusa con il condotto d’ingresso montato.
Figura 5.10- Foto della camera libera
Figura 5.11- Camera di prova con all’interno un induttore da provare
Figura 5.12- Camera di prova chiusa con l’imbocco della galleria
5.2 Modifiche apportate all’impianto
Le modifiche all’impianto si sono divise in due fasi:
• l’aggiornamento delle unità di misura utilizzate per la costruzione della galleria idrodinamica, dato che il precedente modello 3D adottava come unità di misura il sistema anglosassone invece del sistema mks.
Figura 5.13- Sezione della camera di prova
• La riprogettazione di alcuni elementi della galleria. In figura 5.13 è riportata la sezione della camera con induttore montato1. Facendo riferimento sempre alla stessa figura, sono messi in evidenza, tramite numerazione, i componenti che sono stati ridisegnati per adattare il circuito al Nautilus, che ha dimensioni d’ingombro maggiori rispetto a quelli provati fino ad ora nella galleria2. Sono stati modificati rispettivamente:
1. Tubo di imbocco in plexiglass;
2. Flangia di riduzione;
3. Distanziale;
4. Imbocco interno.
Le rappresentazioni tecniche di questi pezzi, con le modifiche apportate, sono rappresentati dalla figura 5.14 alla 5.17.
1 L’induttore montato non è il Nautilus, dato che il sistema di fissaggio all’albero motore non è ancora stato scelto. Il cambiamento del sistema di fissaggio potrà cambiare la geometria interna dell’induttore e la geometria dell’albero motore.
2 Vedere la rappresentazione tecnica dell’induttore riportata al capitolo 2, paragrafo 2.4.3
Figura 5.14- Rappresentazione tecnica tubo di plexiglass
Figura 5.15- Rappresentazione tecnica flangia di riduzione
Figura 5.16- Rappresentazione tecnica distanziale
Figura 5.17- Rappresentazione tecnica condotto d’immissione
