Lo scopo del corso di Macchine idrauliche è quello d'illustrare le principali caratteristiche costruttive ed operative delle macchine operanti con fluidi incomprimibili (pompe e turbine idrauliche) di maggior interesse industriale.
Introduzione alle Macchine a Fluido
Le macchine a fluido si possono suddividere in diverse categorie:
- Motrici ed operatrici: a seconda che convertano l'energia del fluido in energia meccanica o viceversa.
- Per conversione energetica, per propulsione.
- Assiali e radiali: in base alla direzione del flusso principale.
- Monostadio e pluristadio: a seconda del numero di stadi di compressione o espansione.
- A fluido comprimibile, a fluido incomprimibile.
Inoltre, è utile considerare il piano meridiano, la sezione frontale e lo sviluppo delle superfici di flusso assialsimmetriche.
Principi Generali
I principi fondamentali che regolano il funzionamento delle macchine a fluido includono:
- Principi di conservazione della massa e dell'energia.
- Moto adiabatico dei fluidi incomprimibili nei condotti a sezione variabile.
- Moti relativi, equazione d'Eulero.
Turbomacchine Motrici a Fluido Incomprimibile: Turbine Idrauliche
Le turbine idrauliche sono macchine motrici che sfruttano l'energia di un fluido incomprimibile, come l'acqua, per produrre energia meccanica.
Le equazioni caratteristiche per flusso incomprimibile sono fondamentali, così come il teorema di Bernoulli.
Esistono diverse tipologie di turbine idrauliche, tra cui:
- Turbine Pelton
- Turbine Francis
- Turbine Kaplan
Ogni tipologia ha un suo grado di reazione specifico, triangoli di velocità caratteristici, e viene analizzata tramite analisi dimensionale e coefficienti di portata e di pressione. Diverse tipologie costruttive presentano caratteristiche uniche.
Turbomacchine Operatrici a Fluido Incomprimibile: Pompe
Le pompe sono macchine operatrici che trasferiscono energia a un fluido incomprimibile, aumentandone la pressione e la portata.
Le pompe centrifughe sono un tipo comune, con analogie con i compressori centrifughi.La palettatura e i triangoli di velocità sono importanti per la loro analisi.
La curva caratteristica e la genesi del carico palare sono elementi chiave. Gli organi statorici come il diffusore e la voluta giocano un ruolo cruciale. La cavitazione è un fenomeno da evitare, e la condizione di non cavitazione in un impianto è determinata dal NPSH (Net Positive Suction Head). L'analisi di pompe in circuito, sia in serie che in parallelo, è essenziale.
Pompe Volumetriche
Le pompe volumetriche rappresentano una categoria distinta, comprendente macchine alternative e rotative. Il loro principio di funzionamento si basa sull'aumento di pressione del fluido attraverso la riduzione di volume. Le tipologie costruttive variano, e le curve caratteristiche ne descrivono le prestazioni.
Architetture di pompe volumetriche alternative e rotative. Definizione di cilindrata, portata teorica e reale, caratteristica teorica e reale. Espressione della potenza. Problematiche.
Compressori volumetrici alternativi: principio di funzionamento, caratteristiche costruttive, ciclo di lavoro, regolazione. Compressori volumetrici rotativi: compressori a palette, a lobi, ad anello liquido, a vite.
Macchine operatrici idrauliche
Classificazione, campi di funzionamento e criteri di scelta delle pompe. Grandezze operative delle pompe: prevalenza, rendimenti e potenza assorbita. Interazione pompa-impianto, curve caratteristiche interne ed esterne. Accoppiamento delle pompe in serie e parallelo. Funzionamento in condizioni fuori progetto. La cavitazione nelle pompe, NPSH richiesto. Similitudine idraulica. Dipendenza della geometria della macchina dalle prestazioni richieste.
Macchine motrici idrauliche
Generalità sugli impianti idroelettrici e sugli impianti ad accumulo.
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