Perdita interna della pompa

Novembre 23, 2020

Cos’è la perdita interna

Come discusso nella panoramica delle pompe volumetriche, la cilindrata fissa, indipendentemente dalla pressione di uscita, è solo teorica. Flessione del materiale, perdite interne (“blow-by”), usura e altre variabili determinano quantità variabili di dipendenza dalla pressione. Qui esamineremo i dettagli della perdita interna.

Internal Leakage at Tips in a Gear Pump
Perdita interna alle punte di una pompa a ingranaggi

Le perdite interne derivano dall’adattamento imperfetto tra i componenti di un gruppo pompa. Indipendentemente da quanto bene i due componenti si conformino l’uno all’altro, esisteranno spazi microscopici e i fluidi si muoveranno attraverso di essi. La perdita interna è tipicamente correlata linearmente alla viscosità dinamica di un fluido e, pertanto, diventa più pronunciata per i fluidi a bassa viscosità.

La perdita interna non è sempre indesiderata. La lubrificazione dei cuscinetti della pompa a ingranaggi richiede un flusso da aree di alta pressione a bassa pressione per stabilire un cuscinetto idrodinamico corretto. In alcune pompe la perdita interna viene utilizzata per limitare la pressione massima per evitare la sovrapressione del sistema.

Alcuni modelli di pompe eliminano le perdite interne attraverso l’uso di materiali conformi con accoppiamenti con interferenza (ad es. Guarnizioni). Queste strategie possono eliminare quasi tutte le perdite interne. Tuttavia, introducono usura da scorrimento, che crea altri problemi. Questo articolo non si concentrerà sulle guarnizioni scorrevoli.

Pompe rotative a spostamento positivo

Le due fonti comuni di perdita interna nelle pompe rotative sono il gioco della punta e il gioco della faccia. Non tutte le pompe hanno entrambi i tipi, ad esempio, le pompe a palette non hanno gioco di punta perché le palette scorrono attivamente contro la parete. La perdita interna nelle pompe volumetriche rotative non solo riduce la portata, ma riduce anche la pressione massima e la capacità di adescamento.

Il margine della punta

Il margine di spazio in corrispondenza delle punte degli ingranaggi, del rotore o dei lobi è un’importante fonte di perdite interne. Senza pressione, il fluido raggiunge la velocità della punta sulla superficie della punta e la velocità zero sulla parete della cavità, con una distribuzione lineare nel mezzo. Tuttavia, quando l’uscita ha una pressione sufficientemente alta, il centro della curva può invertirsi, provocando un flusso di fluido all’indietro. Alla pressione di flusso bloccata (portata uguale a zero) il volume del fluido che si sposta in avanti è uguale al fluido che si sposta all’indietro (ignorando le altre fonti di perdita).

Gear Tip Fluid Flow
Flusso del fluido della punta dell’ingranaggio

Flusso del fluido della punta dell’ingranaggio

A differenza di altre forme di perdita interna, lo spazio della punta è estremamente complicato da modellare. Considerazioni sia di dati sperimentali che di modelli fisici suggeriscono che il meccanismo di dispersione è un ibrido di flusso laminare (dipendente dalla viscosità) e inerzia del fluido (dipendente dalla densità). I dati suggeriscono una dipendenza della perdita interna tra h² e h³, dove h è il spazio radiale e lineare rispetto all’inverso della lunghezza della punta.

Due metodi sono disponibili per i progettisti di pompe a ingranaggi interne ed esterne, pompe gerotor e pompe a lobi per ridurre l’effetto delle perdite sulle punte:

Diminuire lo spazio della punta. Ciò richiede un’elevata precisione ripetibile, un eccellente controllo di qualità e l’uso di materiali con una distorsione minima dovuta all’assorbimento del fluido, alle differenze di temperatura, alle tensioni residue e allo scorrimento. Queste considerazioni devono essere applicate agli ingranaggi, all’alloggiamento, ai cuscinetti e agli alberi.

Aumentare la lunghezza dello spazio della punta. Farlo è una scelta progettuale perché il compromesso è una diminuzione del volume per giro. Tuttavia, la perdita interna è proporzionale e può in molti casi del 75%.

Tip Optimized for Displacement
Punta ottimizzata per lo spostamento
Tip Optimized for Low internal Leakage
Punta ottimizzata per perdite interne ridotte

Punta ottimizzata per lo spostamento e basse perdite interne

In questo caso aumenta il numero di denti sugli ingranaggi: come aumenta la lunghezza della punta, così si hanno più denti e ciò si traduce in un volume inferiore per giro. Più denti in prossimità della cavità creano più “tenute a pressione”, come mostrato nei risultati di pressione di seguito da una simulazione fluidodinamica. L’aumento del numero di denti può avere ulteriori vantaggi in termini di flusso più regolare e rumore ridotto.

Computational Fluid Dynamics Simulation of Gear Tip Leakage
Simulazione fluidodinamica computazionale delle perdite dalla punta degli ingranaggi

Perdite attraverso la faccia degli ingranaggi

La perdita interna attraverso le facce degli elementi rotanti è la causa principale della perdita interna per molte pompe volumetriche rotative.

Lo spazio in questa direzione è più facile da controllare rispetto al margine della punta, ma l’area della superficie è maggiore e la portata è proporzionale al cubo dello spazio (h3). Il flusso attraverso le facce manca anche del vantaggio di numerosi denti lungo il percorso di perdita e dell’elevata velocità di avanzamento sulle punte dei denti degli ingranaggi. L’unica opzione per ridurre le perdite attraverso la faccia è aumentare la precisione e la qualità dei componenti in modo che il gioco possa essere ridotto.

Internal Leakage Across Gear Faces
Perdita interna attraverso le facce degli ingranaggi

Alcune pompe posizionano guarnizioni in PTFE tra i pezzi dell’alloggiamento. Queste guarnizioni formano una tenuta contro le perdite esterne. Lo spessore di queste guarnizioni, tuttavia, influisce direttamente sul gioco della faccia. Nel corso del tempo e / o della temperatura lo spessore di queste guarnizioni può variare, il che può modificare le prestazioni della pompa.

Pompe a spostamento positivo alternativo

Le pompe volumetriche alternative sono ideali per il dosaggio o l’erogazione di quantità precise di liquidi. Non sorprende che queste pompe abbiano la minima perdita interna delle due classi di pompe volumetriche. Tuttavia, la precisione richiesta per molte applicazioni rende ancora le perdite interne un aspetto importante della progettazione e della produzione della pompa.

Controlla le valvole

La fonte di perdita interna comune a quasi tutte le pompe alternative sono le valvole di ritegno integrate nell’ingresso e nell’uscita. La maggior parte delle valvole di ritegno nelle pompe sono valvole di ritegno a membrana (1) o valvole di ritegno a sfera (da non confondere con le valvole a sfera) (2). Una perdita sull’ingresso può portare a una pressione positiva involontaria sull’aspirazione. Una perdita sull’uscita può tirare leggermente indietro il liquido dalla porta di scarico. In entrambi i casi, il volume di erogazione effettivo verrà ridotto.

Esempi di valvole di ritegno in una pompa a membrana

Le valvole di ritegno a membrana utilizzano una gomma flessibile posizionata su un foro e chiusa a regime. La tenuta si basa sulla forma non sollecitata del diaframma accoppiata alla contropressione per evitare perdite di ritorno. Diverse forme di valvole di ritegno a membrana includono disco flottante, elastomero flessibile, becco d’anatra e ombrello. La perdita di ritorno può verificarsi quando il diaframma si flette nel tempo, i detriti interferiscono con la superficie di tenuta o le particelle abrasive nel fluido usurano la tenuta o le superfici della sede.

Le valvole a sfera caricate a molla sigillano creando un accoppiamento stretto tra la sfera e la sede. Spesso la sede è conica, guidando la sfera nella sede per una tenuta di qualità. La costruzione è tipicamente da materiali duri per massimizzare la durata. Tuttavia, i materiali rigidi mancano della conformità necessaria per conformarsi l’uno all’altro, con il risultato di percorsi microscopici per la fuoriuscita del fluido.

Molte aziende sono specializzate nella progettazione e produzione di valvole di ritegno di qualità. I materiali, i design e i metodi di fabbricazione sono ben sviluppati. Tuttavia, le caratteristiche intrinseche delineate sopra non possono essere evitate. Le pompe a pistoni senza valvola offrono un design privo di valvole di ritegno, sebbene abbiano un’ulteriore fonte di perdite interne.

Lo spazio tra i pistoni

Le pompe a pistone e le pompe a pistone senza valvola hanno un pistone che scorre all’interno di un cilindro. Le deviazioni per rettilineità, dimensione, circolarità e cilindricità provocano spazi attraverso i quali il fluido può passare. La quantità di perdita dipende linearmente dalla pressione di uscita e si sottrarrà dal volume erogato.

Internal Leakage in a Piston Pump
Perdita interna in una pompa a pistone

La perdita, in funzione della pressione, tra un pistone e un cilindro è, dove:

P = pressione in uscita
µ = viscosità dinamica
D = diametro del pistone
h = spazio radiale
L = lunghezza

In genere, l’unica variabile disponibile per i progettisti di pompe è lo spazio. La portata è proporzionale a h3, quindi una pompa a pistoni ad alte prestazioni richiede uno spazio molto stretto. Per illustrare ciò, di seguito è mostrata un’applicazione comune della pompa con acqua con spazio che varia da 0 a 20 µm. Per applicazioni di precisione, la perdita deve essere significativamente inferiore all’1% della cilindrata desiderata.

Piston Pump Internal Leakage as a Function of Clearence
Perdita interna della pompa a pistone in funzione dello spazio

Perdita interna della pompa a pistone in funzione del gioco

Ottenere distanze di micrometri a una cifra (micron) non è semplice. Variabili come forma, dimensioni, finitura superficiale, espansione termica e tecniche di lavorazione devono essere attentamente valutate. I materiali ceramici hanno caratteristiche che si prestano perfettamente a questa applicazione:

  • Bassa dilatazione termica
  • Capacità di essere rettificato di precisione
  • Granulometria ridotta
  • Nessun cambiamento dimensionale con un’ampia gamma di fluidi

La scelta del materiale corretto è solo l’inizio della soluzione. Successivamente, è necessario implementare lavorazioni di precisione altamente controllate e pratiche di controllo qualità. Questo va oltre le tipiche pratiche ISO 9001 e richiede una conoscenza ed esperienza approfondite nel fornire alta qualità su scala microscopica.

Sommario

La perdita interna è una realtà che non può essere ignorata per le pompe volumetriche a meno che l’utente non accetti componenti soggetti a usura a vita limitata utilizzati come guarnizioni scorrevoli. La chiave per un design idraulicamente efficiente e ripetibile è l’uso di materiali adeguati, lavorazioni meccaniche di alta precisione, test della pompa al 100% e un processo disciplinato di garanzia della qualità. Se un’applicazione richiede precisione, ripetibilità e affidabilità, la comunicazione da tecnico a tecnico è fondamentale per evitare sorprese durante lo sviluppo o il ciclo di produzione.

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