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Caratterizzazione di una Pompa Centrifuga, di una Turbina Pelton e di una P.A.T. (Pump As Turbine) Ing. M. Torresi Prof. P. De Palma e M. Napolitano Laboratorio.

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1 Caratterizzazione di una Pompa Centrifuga, di una Turbina Pelton e di una P.A.T. (Pump As Turbine) Ing. M. Torresi Prof. P. De Palma e M. Napolitano Laboratorio di Macchine Idrauliche POLITECNICO DI BARI DIMeG ANNO ACCADEMICO 2011 – 2012 Responsabile Scientifico: Ing. Amirante Riccardo

2 Laboratorio di Macchine Idrauliche 2/27 SOMMARIO Scopo dellesercitazione Descrizione dellimpianto Pompa centrifuga Turbina Pelton PAT

3 Laboratorio di Macchine Idrauliche 3/27 Scopo dellesercitazione Scopo dellesercitazione è tracciare le curve caratteristiche di una pompa centrifuga, di una turbina Pelton e di una PAT (Pump As Turbine).

4 Laboratorio di Macchine Idrauliche 4/27 Descrizione dellimpianto L impianto di prova comprende un circuito idraulico chiuso, realizzato mediante un sistema di piping: - in PVC, fino alla bocca di aspirazione della pompa centrifuga; - in acciaio, nel ramo di mandata verso le turbine. Il circuito è dotato di un unico serbatoio pieno dacqua che funge da vasca di raccolta per il fluido mandato e provvede a garantire il battente necessario a mantenere piena dacqua la condotta di aspirazione delle pompe. Tutto il sistema è controllato in remoto tramite software dedicato realizzato in ambiente LabVIEW.

5 Laboratorio di Macchine Idrauliche 5/27 Descrizione dellimpianto - P é una pompa centrifuga; - M1, M2, M3 sono tre motori elettrici asincroni; - I1, I2, sono due convertitori di frequenza ( inverter ); - S è un serbatoio di raccolta dellacqua; - Q, è una valvola a saracinesca per interventi sullimpianto; - H, K, L sono valvole di regolazione. Nello schema sono poi evidenti: - le tubazioni (disegnate con tratto continuo) - i cavi di collegamento tra le apparecchiature elettriche (disegnati con linee tratteggiate).

6 Laboratorio di Macchine Idrauliche 6/27 Pompa centrifuga La pompa centrifuga bistadio presenta i seguenti dati di progetto: P u = 10 kW n = 2950 giri/min; Q = 36 m 3 /h; H u = 80 m. CostruttoreATURIA Pompe Modello1K5080/2

7 Laboratorio di Macchine Idrauliche 7/27 Motori elettrici asincroni Sono disponibili tre motori elettrici asincroni della Marelli Motori accoppiati meccanicamente alla pompa P, alla turbina Pelton ed alla PAT. I dati di progetto per tutti sono: Potenza nominale: 22kW; Velocità di rotazione nominale: 2930 giri/min; Corrente nominale: 44 A.

8 Laboratorio di Macchine Idrauliche 8/27 Scopo dellesercitazione Limpianto, realizzato allinterno del laboratorio di macchine idrauliche, è stato sviluppato al fine di caratterizzare il funzionamento di pompe e turbine idrauliche mediante la definizione dei loro collinari. Per una pompa, ogni curva caratteristica interna rappresenta, per un assegnata velocità di rotazione (n = cost), la legge di variazione della prevalenza, H u, in funzione della portata mandata, Q. Linsieme delle curve caratteristiche interne e delle linee di iso-rendimento prende il nome di diagramma collinare.

9 Laboratorio di Macchine Idrauliche 9/27 Scopo dellesercitazione La prevalenza utile, H u, esprime la variazione di carico totale fra le sezioni immediatamente a monte (sez. 1) ed a valle (sez. 2) della pompa: Poiché le dimensioni di una pompa sono generalmente ridotte rispetto alla prevalenza fornita, è possibile trascurare le variazioni di quota fra le sezioni ed inoltre, se le condotte di mandata e di aspirazione hanno la stessa sezione, anche il contributo cinetico risulta nullo, pertanto:

10 Laboratorio di Macchine Idrauliche 10/27 Convertitore di frequenza Il motore elettrico M1 che muove la pompa riceve potenza dalla rete attraverso il convertitore di frequenza (inverter) I1. Grazie allinverter, che è in grado di fornire potenza elettrica con una frequenza, f, diversa da quella di rete (f rete = 50 Hz), è possibile variare la velocità di rotazione del motore, e pertanto la velocità di rotazione della pompa, n. - n [giri/min] è la velocità di rotazione della pompa; - p è il numero di coppie polari; - f [Hz] è la frequenza di alimentazione; - s è lo scorrimento. Danfoss VLT5032

11 Laboratorio di Macchine Idrauliche 11/27 Scorrimento nei motori asincroni La pompa, trascinata dal motore elettrico, richiede una coppia crescente con laumentare della velocità di rotazione. Nella configurazione di equilibrio la pompa ruota ad una velocità inferiore a quella di sincronismo, dando luogo allo scorrimento, s.

12 Laboratorio di Macchine Idrauliche 12/27 Controllo della velocità di rotazione Pertanto, per fissare esattamente la velocità di rotazione della pompa, è stato realizzato un sistema di controllo Proporzionale- Integrale-Derivativo (PID), in ambiente LabVIEW; lutente fissa la velocità di rotazione di set point, n set point ; si stima la frequenza della corrente di alimentazione, f stim ; attraverso un encoder incrementale, calettato sullalbero del motore e della pompa, si misura la velocità di rotazione della pompa, n; si calcola lerrore, e = n – n set point, a seguito dello scorrimento, s; Infine, si determina la correzione sulla frequenza di alimentazione dellinverter, f, per compensare leffetto dello scorrimento.

13 Laboratorio di Macchine Idrauliche 13/27 Scorrimento nei generatori asincroni Quando la macchina elettrica asincrona è collegata ad una macchina motrice, essa supera la velocità di sincronismo. In tali condizioni lo scorrimento è negativo: il campo rotante si inverte e fa cambiare il segno delle forze elettromotrici rotoriche e delle correnti statoriche. La macchina, sviluppando una coppia elettromagnetica resistente, funziona da generatore.

14 Laboratorio di Macchine Idrauliche 14/27 Strumentazione Le pressioni vengono misurate in aspirazione e alla mandata dalla pompa attraverso trasduttori estensimetrici. Allinterno del trasduttore è presente una membrana deformabile sulla quale è disposto un estensimetro. Lallungamento dellestensimetro ne fa variare la resistenza. Tale variazione è convertita in un segnale di tensione acquisibile. In aggiunta si dispone di un manometro differenziale a molla tubolare (tipo Bourdon) sulla mandata ed un vacuometro sullaspirazione. Misuratori di pressione

15 Laboratorio di Macchine Idrauliche 15/27 Strumentazione Le velocità di rotazione sono misurate attraverso encoder incrementali. Lencoder è realizzato tramite un disco, coassiale allalbero motore, su cui sono disposti 1000 settori trasparenti a distanza regolare. Il disco è interposto tra un sensore ottico ed un fotodiodo. Il disco, ruotando, causa la produzione di un segnale impulsivo ad una frequenza proporzionale alla velocità di rotazione dell'albero. Misuratori di velocità di rotazione - n [giri/s] è la velocità di rotazione del rotore; - N è numero di impulsi nellintervallo ΔT [s].

16 Laboratorio di Macchine Idrauliche 16/27 Strumentazione La portata è misurata attraverso un misuratore elettromagnetico. Il vantaggio di questo strumento è che consente di dare un segnale lineare in tensione proporzionale alla portata senza creare ulteriori perdite di carico sulla linea. Misuratore di portata Il principio di funzionamento del misuratore si basa sulla legge di Faraday. Un magnete permanente crea un campo magnetico costante ortogonale al flusso. Le sostanze ionizzate disciolte trasportate dallacqua costituiscono il flusso di corrente. Si misura quindi la differenza di tensione indotta. Danfoss MAG3100

17 Laboratorio di Macchine Idrauliche 17/27 Esecuzione della prova Per tracciare le curve caratteristiche della pompa, in primo luogo, si fissa la velocità di rotazione, n. Raggiunte le condizioni di equilibrio, si registrano i valori misurati di portata elaborata, Q, e di prevalenza fornita, H u, della pompa. Agendo sulla valvola a globo si varia la caratteristica esterna del circuito. Tali punti appartengono anche alla caratteristica interna della pompa. Unendoli si ottiene la caratteristica interna per quel determinato valore di n.

18 Laboratorio di Macchine Idrauliche 18/27 Esecuzione della prova Misurando contemporaneamente la potenza erogata, è possibile ricavare il corrispondente valore del rendimento, η. Eseguendo la prova a diversi valori della velocità di rotazione, è possibile infine ricavare il diagramma collinare. Le curve di isorendimento si ottengono unendo i valori aventi egual rendimento interpolati sulle varie curve caratteristiche interne.

19 Laboratorio di Macchine Idrauliche 19/27 Collinare della pompa centrifuga

20 Laboratorio di Macchine Idrauliche 20/27 Strumentazione aggiuntiva turbine La coppia erogata dalla turbina è misurata attraverso un sistema a carcassa oscillante con cella di carico. Con questo metodo si misura la coppia di reazione agente sullo statore. La carcassa è libera di ruotare grazie al collegamento con la flangia di un elemento rotante su un supporto dotato di cuscinetti a bassa resistenza. La libera rotazione è impedita dalla cella di carico che misura il modulo della forza F. La cella di carico fornisce un valore di tensione proporzionale al valore della forza agente (in compressione o in trazione) sulla cella. Noto il braccio b costante, al quale è applicata la forza, è possibile risalire al valore di coppia. Nota la velocità di rotazione della turbina si può risalire al valore della potenza erogata Misuratori di coppia

21 Laboratorio di Macchine Idrauliche 21/27 Turbina Pelton

22 Laboratorio di Macchine Idrauliche 22/27 Turbina Pelton La prova di laboratorio consiste nel tracciamento delle curve caratteristiche della turbina Pelton a salto utile ed apertura del distributore costanti (quindi, a portata costante), variando la velocità di rotazione della turbina. La velocità di rotazione della turbina è imposta dalla frequenza dellinverter (a meno dello scorrimento). Un loop di controllo in retroazione fa in modo che la pompa ruoti ad una velocità di rotazione tale da garantire il salto utile voluto.

23 Laboratorio di Macchine Idrauliche 23/27 Turbina Pelton Ciascuna curva di funzionamento si ottiene come segue. -Si imposta la frequenza dellinverter collegato alla turbina; in questo modo è fissato, a meno dello scorrimento, la velocità di rotazione della Pelton. -Viene fissata lapertura dellago Doble. -Si fa variare la pressione di mandata della pompa agendo sulla velocità di rotazione del motore, così da garantire il salto utile desiderato. -Si fa variare la velocità di rotazione della turbina. Per ogni punto rilevato si determina il rendimento; quindi si uniscono i punti ad egual rendimento sul diagramma Q, H u, ottenendo così il collinare.

24 Laboratorio di Macchine Idrauliche 24/27 PAT PAT (Pump As Turbine), ovvero pompa utilizzata come turbina Come noto, le pompe centrifughe possono funzionare come turbine Francis e viceversa. Il funzionamento di una PAT si ottiene alimentando la pompa centrifuga dalla flangia di mandata e scaricando la portata dalla flangia di ingresso in modo tale da avere un comportamento analogo ad una turbina di tipo Francis. La macchina si trova ad operare in funzionamento centripeto, la voluta si comporta come distributore e la macchina ruota in senso inverso al funzionamento nominale. Sebbene i triangoli di velocità non risultano essere ottimizzati ed i rendimenti risultano essere penalizzati, questo tipo di applicazione è giustificato dal fatto che per piccole generazioni di potenza il reperimento di una turbina adatta allo scopo o la progettazione apposita di una macchina non sono cosa semplice né economicamente conveniente. Al contrario sono disponibili sul mercato numerose serie di pompe centrifughe a costo più contenuto in grado di coprire un vasto campo di funzionamento.

25 Laboratorio di Macchine Idrauliche 25/27 PAT Lopportunità di utilizzare le pompe come turbine si scontra con la difficoltà di scelta della pompa da utilizzare nel funzionamento inverso, a causa della mancanza dinformazioni sulle prestazioni della PAT. Mentre la caratteristica della pompa viene normalmente fornita dal costruttore, le curve di collaudo per la singola macchina utilizzata come turbina non sono in genere disponibili. Inoltre, non è possibile variare la portata, modificando lapertura del distributore (diffusore della pompa a pale fisse). In letteratura esistono delle correlazioni di natura empirica che cercano di stabilire delle relazioni tra il funzionamento al punto di massima efficienza (BEP = Best Efficiency Point) nel funzionamento come pompa e lanalogo punto nel funzionamento come turbina. Tali correlazioni pervengono a delle previsioni sulle prestazioni della PAT al BEP nellutilizzo inverso, partendo dai dati sulle prestazioni forniti dal costruttore nel funzionamento come pompa, indipendentemente dai dati geometrici della stessa.

26 Laboratorio di Macchine Idrauliche 26/27 PAT La prova di laboratorio consiste nel tracciamento delle curve caratteristiche (P u, Q ed η) della PAT, a velocità di rotazione costante e variando il carico Hu.

27 Laboratorio di Macchine Idrauliche 27/27 PAT Ciascuna curva di funzionamento si ottiene come segue. -Si imposta la frequenza dellinverter collegato alla PAT, trascinata a vuoto, fissandone la velocità di rotazione, n, a meno dello scorrimento. -Si fa variare la pressione di mandata della pompa agendo sulla velocità di rotazione del motore che la comanda. -Si apre la valvola sul ramo di mandata. -Completato il tracciamento della curva, si varia la velocità di rotazione della PAT. -Alla fine si individua il BEP. Tracciate le curve caratteristiche per vari valori di n, si uniscono i punti ad egual rendimento sul diagramma Q, H u, ottenendo così il collinare.


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