L’analisi fluidodinamica della girante di una pompa permette di agevolare lo studio del flusso e le relazioni tra il fluido, la palettatura e le prestazioni per determinate condizioni operative prefissate.

Durante l’elaborazione del fluido all’interno della pompa, come ipotesi fluidodinamica si assumono le condizioni di flusso stazionario o a regime, e flusso monodimensionale.

Progettazione di una pompa

Il processo di progettazione ingegneristica di una pompa centrifuga è molto complesso; occorre in primo luogo fissare i vincoli progettuali per il raggiungimento del target prefissato rispettando tempi e costi calcolati per la conclusione del progetto con la qualità richiesta.
In fase di progettazione uno degli elementi chiave nella configurazione costruttiva è rappresentato dalla girante; la analizzeremo sotto il profilo delle perdite che in essa hanno luogo.
Di seguito in figura sono riportati i tipi di perdite che si verificano in una girante; esamineremo quindi le perdite per carico palare, che possono avere un elevato impatto.

 

Le perdite per carico palare (blade loading) sono legate alla differenza di pressione esistente tra le due facce palari, intradosso e estradosso; dove una risulta sottoposta a pressione (driving side) ed un’altra sottoposta a depressione (trailing side).
Normalmente si verifica che la pressione nella sezione di imbocco della pompa risulti inferiore a quella ambiente a causa dei seguenti fattori:

  • Aumento della energia cinetica,
  •  Le perdite nelle condotta di aspirazione,
  • Lavoro in quota

Inoltre occorre considerare che nel canale interpalare il fluido subisce una considerevole accelerazione con una conseguente ulteriore caduta di pressione, quindi come risultato finale si verifica una distribuzione non uniforme delle pressioni lungo la linea meridiana del profilo palare. La pratica sperimentale dimostra che elevati valori di blade-loading all’uscita possono generare fluttuazione di pressione e rumorosità.

Consideriamo un modello di perdite fluidodinamiche per una generica pompa centrifuga, modello nel quale viene considerata l’incidenza di tutte le perdite sopra elencate; a queste perdite si aggiungono le perdite all’ingresso (suction intake) che dipendono dal sistema di ingresso, determinato a sua volta da esigenze impiantistiche.

È possibile calcolare una efficienza della girante per erogare la prevalenza effettiva, ovvero la massima energia specifica che la girante è in grado di elaborare.
Essa viene calcolata con la seguente espressione:

Dove:

L = Lavoro di Eulero

Δp fluido = Caduta di pressione interna della girante (perdita energetica)

Come evitare il rischio di cavitazione

Risulta di vitale importanza, durante la fase progettuale, la verifica per la riduzione del rischio di cavitazione. È necessario in primo luogo capire quali sono le condizioni che causano l’instaurarsi del fenomeno della cavitazione.

Come è noto, affinché non vi sia cavitazione deve essere soddisfatta la seguente disuguaglianza:

P min > P vapore del fluido

Verificando la condizione necessaria, quale:

NPSH disponibile > NPSH min

Dove NPSH min dipende solo dalla geometria e dalle prestazioni della pompa, in caso di scelta di una pompa, esso è fornito dal costruttore.

Attualmente per lo studio e la progettazione di una macchina idraulica vengono impiegati dei software CFD i quali permettono l’utilizzo di codici di calcolo evoluti per l’impostazione di un modello fluidodinamico valido per le analisi e la progettazione idraulica ottimizzata fino alla validazione tecnica della macchina.