Pompe e Turbine

Nell’articolo di oggi vedremo che cosa sono pompe, turbine, le principali tipologie e la loro struttura.

Definizioni

Una pompa è una macchina che utilizza la potenza fornita da un motore per trasferirla ad un fluido (quindi liquido o gas), allo scopo di portare il fluido stesso ad un’altezza maggiore di quella si partenza. Questa differenza di altezza, raggiungibile con una pompa per un determinato fluido, è detta prevalenza. Diciamo pertanto che una pompa è una macchina operatrice, poiché tramite la potenza fornita svolge un’operazione sul fluido stesso.

Una turbina è esattamente il contrario di una pompa: essa utilizza l’energia presente in un fluido per generare potenza. Per tale motivo, la turbina è detta macchina motrice. Alla turbina può essere collegato un generatore elettrico, per estrarre la potenza fornita, oppure la potenza meccanica può essere direttamente sfruttata (pensate ai mulini, primo esempio storico di turbina).

Le quantità che definiscono la potenza prodotta (Turbine) o necessaria (Pompe) sono:

  • La portata (la quantità di fluido al secondo)
  • Il salto (nel caso della turbina), vale a dire la differenza di altezza tra la sorgente e la macchina, e la prevalenza (nel caso della pompa), cioè l’altezza che la macchina stessa può far raggiungere ad un fluido

Struttura

Una pompa o una turbina sono strutturate in maniera simile: è presente una parte fissa, detto statore, ed una parte rotante, detta appunto rotore. Queste due parti saranno vincolate ad un motore (solitamente elettrico) nel caso di una pompa, il quale metterà il rotore in azione, oppure ad un generatore nel caso di una Turbina (in grado di convertire in potenza elettrica la potenza meccanica acquisita).

Lo statore ha la funzione di supportare la macchina stessa, gli organi rotanti al suo interno e di offrire il passaggio al fluido di lavoro. La struttura ha molto spesso la forma di una cassa.

Il rotore è composto da un nucleo centrale, al quale sono attaccate una serie di palette sulla parte periferica. La forma di tali palette è di fondamentale importanza sia per le pompe che per le turbine, poiché variandone il profilo si ottiene la variazione del flusso al di sopra, dal quale conseguono una serie di effetti (in termini di velocità di uscita, di potenza estratta ecc.)

Se apriamo una piccola parentesi, è da precisare che in questo articolo si stanno analizzando soltanto le pompe rotative, cioè quelle che svolgono la loro funzione fornendo al fluido un tipo di movimento rotativo. Esistono infatti le pompe di tipologia alternativa, come le pompe a stantuffo (funzionano grazie all’azionamento di un cilindro, principio analogo alle pompe per la bicicletta) o le pompe a membrana (che effettuano la compressione attraverso il movimento alternato di un diaframma, che comprime il fluido sito in due camere adiacenti).

Tipologie

Con riferimento alle pompe fluidodinamiche, i principali tipi sono:

  • Pompe centrifughe: hanno l’aspirazione (ingresso del fluido) sull’asse del rotore, mentre la mandata (uscita del fluido) tangenziale al rotore. Esse sono ideali quando la portata (la quantità di fluido al secondo) è molto alta
  • Pompe assiali: sia aspirazione che mandata sono aull’asse del motore. La massima potenza assorbita la abbiamo con portate basse, ma maggior sensibilità alla variazione della portata stessa  (al suo aumentare, la potenza si riduce radicalmente)

Pompa centrifuga

Le turbine si possono dividere in:

  • Turbine ad azione: queste turbine non prevedono un salto di pressione, si tratta di convertire il moto del fluido in moto della girante
  • Turbine a reazione: queste turbine assorbono potenza sia per il moto del fluido, sia per la differenza di pressione tra monte e valle della turbina

Alla luce di questo, abbiamo 3 tipi di turbine:

  • Turbina Pelton: è la classica turbina ad azione: ciò significa che non sono turbine immerse, ma sfruttano solamente la velocità con cui l’acqua arriva sulla paletta. Per questo motivo, è necessario avere dei salti molto alti (fino a 600 metri!). Non di rado è possibile vederne in montagna, a valle delle dighe, con condotte che scendono dai versanti fino quasi a valle.

Turbina Pelton
  • Turbine Francis: è una turbina a reazione, completamente immersa nel fluido, a flusso centripeto. Abbiamo quindi una chiocciola esterna, dalla quale il materiale è convogliato nella girante. È adatta solitamente a portate molto alte ed a bassi salti (valori tipici sono di portate fino a 250/300 m3/s con salti di 10 m)
Schema di una turbina Francis
  • Turbine Kaplan: è una turbina a reazione assiale. Solitamente, come portate e salti, ci avviciniamo molto alle turbine Francis (possiamo raggiungere gli 80 metri di salto, con una portata di 50/60 m3/s ): la sostanziale differenza tra le 2 turbine consiste fondamentalmente nella possibilità di regolazione delle palette. Questo mantiene il rendimento alto per un certo range di portata (è più flessibile in questo senso).

Schema di una turbina Kaplan

Applicazioni tipiche

Le tipologie di pompe e turbine sono molto varie, pertanto le sue applicazioni possono essere svariate. Si va dal mondo domestico (pompe negli impianti idraulici, nelle lavatrici/lavastoviglie ecc), al mondo automobilistico (turbine), al mondo petrolifero, all’applicazione su macchinari industriali ecc.

Per citare alcuni esempi tra i più comuni di applicazioni di queste 2 macchine, abbiamo tra le più tipiche e conosciute delle turbine la produzione di energia elettrica e la movimentazione di aerei (anche se sarebbe più corretto parlare di turbocompressori in questo caso). Per le pompe si può pensare alla loro applicazione negli impianti idraulici di casa, nelle piscine, negli impianti di lavaggio ecc.

Ovviamente questi sono solo piccoli esempi, sarebbe impossibile elencare tutte le applicazioni di questi 2 sistemi meccanici!

Conclusioni

L’articolo aveva per scopo fornire una panoramica generale su pompe e turbine. Fatemi sapere nei commenti se vi è piaciuto. A presto

Domande di sintesi

Le seguenti domande riprendono i concetti spiegati nell’articolo:

  • Che cos’è una pompa? Che cos’è una turbina?
  • Qual è la struttura tipica di una pompa? E di una turbina?
  • Quali sono i principali tipi di pompe? E di turbine?
  • Quali sono le applicazioni tipiche di pompe e turbine?

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