Servizio di richiamata

Come possiamo aiutarvi? Vi richiameremo il prima possibile – ovviamente gratuitamente!

Trafilamento interno

Che cos’è il trafilamento interno


Come spiegato precedentemente nella panoramica delle pompe volumetriche, lo spostamento fisso, a prescindere dalla pressione di mandata, è puramente teorico. La flessione dei materiali, il trafilamento interno (“blow-by”), l’usura e altre variabili comportano vari livelli di dipendenza dalla pressione. In questa sezione, approfondiremo il tema del trafilamento interno.

Trafilamento interno alle estremità in una pompa a ingranaggi

Il trafilamento interno è causato dall’adattamento imperfetto tra i componenti in un gruppo pompa. A prescindere dal comportamento reciproco dei due componenti, saranno comunque presenti degli spazi vuoti, seppur di dimensioni microscopiche, attraverso i quali i fluidi passeranno. Il trafilamento interno è correlato linearmente alla viscosità dinamica di un fluido e, di conseguenza, risulta maggiore per i fluidi a bassa viscosità.

Il trafilamento interno non è sempre indesiderato. La lubrificazione dei cuscinetti della pompa a ingranaggi richiede un flusso dalle aree ad alta pressione a quelle a bassa pressione per stabilire un cuscinetto idrodinamico corretto. In alcune pompe, il trafilamento interno viene usato per limitare la pressione massima, in modo da evitare una sovrapressione del sistema.

Alcuni modelli di pompe eliminano il trafilamento interno utilizzando materiali conformi agli accoppiamenti di interferenza (ad es. guarnizioni). Queste strategie sono in grado di eliminare pressoché ogni trafilamento interno. Tuttavia, introducono un’usura da sfregamento che causa altri problemi. Questo articolo non si concentrerà sulle guarnizioni scorrevoli.


Pompe volumetriche rotative


Le due fonti comuni di trafilamento interno nelle pompe rotative sono il gioco di estremità e il gioco frontale. Non tutte le pompe hanno entrambi i tipi. Per esempio, le pompe a palette non dispongono di un gioco di estremità, in quanto le palette scivolano attivamente contro la parete. Il trafilamento interno nelle pompe volumetriche rotative riduce non solo la portata, ma anche la pressione massima e la capacità di adescamento.


Gioco di estremità

Il gioco nell’ingranaggio, nel rotore o nelle punte dei lobi è una fonte importante di trafilamento interno. In assenza di pressione, il fluido raggiunge la velocità delle estremità alla superficie dell’estremità e una velocità pari a zero nella parete della cavità, con una distribuzione lineare nel mezzo. Tuttavia, quando l’uscita ha una pressione sufficientemente elevata, nella parte centrale della curva può verificarsi un’inversione e, di conseguenza, una parte del fluido può tornare indietro. Con una pressione di flusso bloccata (portata pari a zero), il volume del fluido che scorre in avanti è uguale a quello del fluido che scorre all’indietro (ignorando le altre fonti di tenuta). 

Flusso del fluido alle estremità dell’ingranaggio

A differenza di altre forme di trafilamento interno, il gioco di estremità è molto complicato da modellare. Se si considerano i dati sperimentali e i modelli fisici, risulta che il meccanismo di tenuta è un ibrido tra flusso laminare (in funzione della viscosità) e inerzia del fluido (in funzione della densità). I dati suggeriscono una dipendenza del trafilamento interno tra h2 and h3, dove h è il gioco radiale, e lineare all’inverso della lunghezza dell’estremità.

Gli ingegneri incaricati della progettazione di pompe a ingranaggi esterne e interne, pompe Gerotor e pompe a lobi hanno a disposizione tre metodi per ridurre l’effetto del trafilamento alle estremità:

  1. Diminuire il gioco di estremità. Per farlo, occorrono una precisione elevata e ripetibile, un eccellente controllo della qualità e un uso dei materiali con una distorsione minima per assorbimento del fluido, differenze di temperatura, tensioni residue e scorrimento viscoso. Queste considerazioni devono essere applicate agli ingranaggi, all’alloggiamento, ai cuscinetti e agli alberi.
  2. Aumentare la lunghezza del gioco di estremità. In questo caso, si tratta di una scelta di progettazione, in quanto il compromesso è una riduzione del volume per giro. Tuttavia, la tenuta verso l’interno è proporzionale a  e può essere del 75% in molti casi.

     
    Estremità ottimizzata per spostamento   Estremità ottimizzata per tenuta verso l’interno esigua


  3. Incrementare il numero di dentature sugli ingranaggi. Analogamente all’aumento della lunghezza dell’estremità, un maggior numero di dentature comporta un minor volume per giro. Più dentature vicine in prossimità della cavità creano più “tenuta di pressione”, come illustrato nei risultati di pressione di seguito riportati, derivanti da una simulazione della dinamica dei fluidi. Un aumento del numero di dentature può avere dei vantaggi aggiuntivi, come un flusso più scorrevole e meno rumori.

Simulazione di dinamica dei fluidi computazionale della trafilamento dalle estremità dell’ingranaggio

Gioco frontale

Per molte pompe volumetriche rotative, il trafilamento interno attraverso le parti frontali degli elementi rotanti è l’elemento che contribuisce maggiormente al trafilamento interno. Il gioco in questa direzione è più semplice da controllare rispetto al gioco di estremità (meno componenti nell’accumulo di tolleranza), ma l’area della superficie è maggiore e la portata è proporzionale al cubo del divario (h3). Il flusso attraverso le parti frontali, inoltre, non ha il vantaggio di una quantità notevole di dentature lungo il percorso di trafilamento e dell’elevata velocità in avanti alle estremità delle dentature dell’ingranaggio. L’unica opzione per diminuire il trafilamento nella parte frontale è aumentare la precisione e la qualità dei componenti, in modo tale da ridurre il gioco.

Trafilamento interno nelle parti frontali dell’ingranaggio

Alcune pompe posizionano guarnizioni in PTFE tra le parti dell’alloggiamento. Queste guarnizioni formano una tenuta contro il trafilamento esterno. Lo spessore di tali guarnizioni, tuttavia, influisce direttamente sul gioco frontale. Col passare del tempo e/o con l’effetto della temperatura, lo spessore di queste guarnizioni può cambiare, andando a modificare le prestazioni della pompa.


Pompe volumetriche alternative


Le pompe volumetriche alternative sono ideali per dosare ed erogare quantità precise di liquidi. Non c’è da sorprendersi che queste pompe abbiano il più basso grado di trafilamento interno delle due classi di pompe volumetriche. Tuttavia, la precisione necessaria in numerosi campi di applicazione rende il trafilamento interno un aspetto importante nella progettazione e nella produzione di pompe.


Valvole di ritegno

La fonte di trafilamento interno comune a pressoché tutte le pompe alternative è costituita dalle valvole di ritegno integrate all’ingresso e all’uscita. La maggior parte delle valvole di ritegno è costituita da valvole di ritegno a membrana (1) o da valvole di ritegno a sfera (da non confondere con le valvole a sfera) (2). Il trafilamento sull’entrata può provocare involontariamente una pressione positiva sulla presa di aspirazione. Il trafilamento sull’uscita può spingere leggermente il liquido indietro dalla porta di scarico. In entrambi i casi, il volume di erogazione effettivo risulterà ridotto.

Esempi di valvole di ritegno in una pompa a membrana

Le valvole di ritegno a membrana utilizzano una gomma flessibile posizionata sopra a un foro e chiusa a regime permanente. La tenuta è basata sulla forma non sotto pressione della membrana congiuntamente alla contropressione per prevenire una dispersione all’indietro. Le diverse forme delle valvole di ritegno a membrana includono: disco liberamente flottante, elastomero flessibile, becco d’anatra e ombrello. La dispersione all’indietro può avvenire in quanto la membrana si flette col passare del tempo, i detriti interferiscono con la superficie di tenuta o le particelle abrasive nel fluido danneggiano la guarnizione o le superfici della sede.

Le valvole a sfera caricate a molla creano una tenuta mediante un accoppiamento aderente tra la sfera e la sede. Spesso la sede è conica e ciò guida la sfera nella sede per garantire una tenuta di qualità. La costruzione solitamente avviene con materiali duri e resistenti, in modo da garantire una lunga durata di vita utile. Tuttavia, i materiali rigidi non hanno la flessibilità necessaria per conformarsi l’uno all’altro e il risultato di ciò è la creazione di percorsi microscopici attraverso i quali i fluidi trafilano.

Molte aziende sono specializzate nella progettazione e nella produzione di qualità di valvole di ritegno. I materiali e i metodi di progettazione e di fabbricazione sono ben concepiti. Tuttavia, le caratteristiche sopra descritte non possono essere evitate. Le pompe a pistone senza valvole offrono un modello privo di valvole di ritegno, pur avendo una fonte aggiuntiva di trafilamento interno.


Gioco del pistone

Le pompe a pistone e le pompe a pistone senza valvole sono dotate di un pistone che scivola all’interno di un cilindro. Le deviazioni in termini di rettilineità, dimensioni, circolarità e cilindricità creano degli spazi vuoti attraverso i quali i fluidi possono disperdersi. Il grado di trafilamento dipende direttamente dalla pressione di uscita e ridurrà il volume erogato.

Tenuta verso l’interno in una pompa a pistone

Il trafilamento, in funzione della pressione, tra un pistone e un cilindro ès , dove:

P = pressione di uscita
µ = viscosità dinamica
D = diametro del pistone
h = gioco radiale
L = lunghezza

Solitamente, l’unica variabile disponibile agli ingegneri progettisti di pompe è il gioco. Il flusso è proporzionale a h3, per cui una pompa a pistone ad elevate prestazioni richiede un gioco molto stretto. Per illustrare ciò, qui sotto è raffigurata una comune applicazione di una pompa con acqua, con un gioco che varia da 0 a 20 µm. Per applicazioni precise, la tenuta deve essere nettamente inferiore all’1% dello spostamento desiderato.

Trafilamento interno di una pompa a pistone in funzione del gioco

Ottenere un gioco misurabile in micrometri a una sola cifra (micron) non è semplice. Occorre valutare attentamente diverse variabili, tra cui forma, dimensioni, finitura della superficie, espansione termica e tecniche di lavorazione. I materiali in ceramica hanno caratteristiche che si prestano perfettamente a questa applicazione:

  • Bassa espansione termica
  • Possibilità di essere rettificati di precisione
  • Granulometria ridotta
  • Nessun cambio dimensionale con un’ampia gamma di fluidi

La scelta del materiale corretto è solo il primo passo verso la soluzione. Dopo aver scelto il materiale, è necessario implementare tecniche di controllo della qualità e di lavorazione di precisione estremamente controllate. Ciò va ben oltre le tipiche prassi ISO 9001 e richiede conoscenze e know-how approfonditi per fornire un’elevata qualità su scala microscopica.


Sommario


Il trafilamento interno è una realtà che non può essere ignorata per le pompe volumetriche, a meno che l’utilizzatore non accetti di utilizzare come guarnizioni scorrevoli componenti soggetti a usura, e quindi a una durata limitata. La chiave per una progettazione efficace e ripetibile dal punto di vista idraulico consiste nell’utilizzo di materiali corretti, di tecniche di lavorazione ad alta precisione, di collaudi delle pompe al 100% e di un processo di controllo della qualità disciplinato. Se un’applicazione richiede precisione, ripetibilità e affidabilità, la comunicazione tra ingegneri è essenziale al fine di evitare brutte sorprese nel ciclo di sviluppo o di produzione.