Definizione e tipologie di pompe idrauliche

Le pompe idrauliche sono macchine operatrici che spostano volumi di fluido in modo continuo e/o discontinuo. La pompa fornisce energia meccanica ad un fluido, la stessa può essere:

• Energia cinetica per fare acquistare velocità al fluido, e che quindi influenza la portata.
• Energia di pressione che può ulteriormente essere geodetica (per sollevare il fluido in altezza) oppure piezometrica (per superare le differenze di pressione nelle tubazioni).

Le pompe idrauliche possono essere di varie tipologie a seconda delle più svariate condizioni d’impiego, a seconda del tipo di fluido da utilizzare, a seconda delle pressioni di esercizio, delle temperature e delle caratteristiche dell’impianto. La classificazione delle pompe avviene in base al principio di funzionamento ed alle caratteristiche costruttive.

Si inizia con una prima macro suddivisione:

• Pompe volumetriche: sono caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili. L’energia meccanica di spinta viene trasferita al liquido aumentandone direttamente la pressione.
• Pompe cinetiche: sono caratterizzate dal fatto che la parte mobile ruotando trasferisce al liquido energia cinetica che successivamente si trasforma in energia di pressione.
• Pompe speciali

A loro volta le macro categorie si suddividono in:

• Pompe volumetriche: pompe Alternative (a Pistone o a Membrana), pompe Rotative (a Ingranaggi, a Lobi, a Capsulismi, a Palette mobili, a Pale deformabili, a Vite eccentrica, a Rotore ellittico.
• Pompe cinetiche: Centrifughe (Mono-girante, Multi-girante), Turbine (a Flusso Assiale, a Flusso misto).
• Pompe speciali: Peristaltiche, a Pistone Liquido, Vite di Archimede, Air Lift o Mammut, Eiettori, Montaliquidi.

L’utilizzo delle pompe idrauliche nella storia

Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. La Vite di Archimede viene utilizzata ancora oggi, soprattutto nel settore della depurazione delle acque.

Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Il funzionamento è quello tipico di un mulino, dove un corso d’acqua svolge la funzione di fonte di fluido e di energia meccanica. Il fluido veniva sollevato per mezzo di recipienti a tazza.

Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia. L’avvento del vapore e il suo utilizzo come fonte motrice hanno permesso di migliorare tecnologicamente questa tipologia di pompe che hanno cominciato ad essere in grado di sollevare fluidi a profondità notevoli, tanto da essere utilizzate anche nelle miniere per prosciugare pozzi sotterranei.

Negli anni il progresso tecnologico ha permesso la creazione di sistemi in grado di spostare grosse quantità di fluido a prevalenze sempre più elevate: l’utilizzo di motori a combustione interna e successivamente di motori elettrici ha permesso di sviluppare macchine rotative che trasformassero l’energia cinetica in pressione.

Approfondimenti tecnici sulle pompe idrauliche

Come abbiamo visto le pompe idrauliche si suddividono in tre distinte categoria, andiamo così ad approfondire nello specifico ogni singola tipologia:

Pompe Alternative

Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo. Questo esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia. Questa tipologia di pompa è adatta a sviluppare prevalenze altissime la portata della pompa dipende dalle dimensioni e dalla velocità di rotazione del sistema.

Le pompe alternative possono essere ulteriormente classificate in due tipologie:

• Pompe a stantuffo: caratterizzate da un’architettura all’interno della quale il movimento del fluido è causato essenzialmente da un pistone collegato ad un sistema biella-manovella.
• Pompe a membrana, caratterizzate da un’architettura all’interno della quale il fluido viene spostato da membrane messe in moto da aria o da altri sistemi.

Esempi particolari di pompe alternative sono le pompe di iniezione del combustibile dei moderni motori Diesel.

Pompe Centrifughe

Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore. Il liquido contenuto entro la chiocciola, per effetto dell’elevata velocità angolare trasmessa dalla girante, viene spinto per forza centrifuga verso la periferia e conseguentemente una depressione al centro; in tal modo parte dell’energia cinetica si trasforma in energia di pressione, convogliando il liquido nella tubazione di mandata e creando al centro della pompa una depressione che richiamerà altro liquido dalla tubazione d’aspirazione.

Le pompe centrifughe sono composte essenzialmente da:

• Distributore: organo fisso attraverso il quale si ha l’entrata in direzione assiale del liquido da pompare e il relativo invio alla girante.
• Diffusore: detto anche chiocciola, elemento fisso che trasforma l’energia cinetica accumulata dal liquido in energia di pressione (mediante il graduale aumento della sezione trasversale di tale organo), convogliando quindi il liquido in direzione radiale verso la condotta di mandata.
• Girante: si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido. La girante è l’elemento principale della pompa, costituito da una serie di palette la cui curvatura deve essere tale da soddisfare due necessità (aforismi idraulici) per ridurre al minimo le perdite di carico della pompa:

L’ingresso del liquido nella pompa deve avvenire senza urti
L’uscita del liquido nella pompa deve avvenire con la minore velocità possibile

E’ possibile scegliere tra diversi modelli di girante, in funzione della prevalenza richiesta e del tipo di fluido da spostare:

• Girante a flusso radiale: costituita da una serie di pale inserite fra due dischi calettati all’asse della pompa, a canale stretto o largo e a pale diritte o incurvate.
• Girante aperta: con pale elicoidali calettate direttamente sul mozzo, indicate per il trasporto di liquidi con particelle solide sospese.

Le pompe centrifughe, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore. Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Queste ultime possono essere impiegate quando lo spazio disponibile per l’installazione è veramente esiguo, in quanto il motore è posto proprio sopra la pompa. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico. Queste pompe possono, perciò, essere installate sotto il livello del liquido e sono utilizzate quindi per pompare acqua da pozzi particolarmente profondi o da serbatoi interrati. Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato. A seconda degli accorgimenti tecnici e delle soluzioni meccaniche adottate, possono essere essenzialmente di due tipologie:

• Pompe centrifughe autoadescanti a canale laterale: Presentano dalla parte più esterna una camera separata in due settori che individuano la camera di aspirazione e la camera di mandata. Nella zona centrale delle due camere sono presenti rispettivamente una luce di aspirazione ed una luce di mandata. Posteriormente a questa camera esterna è presente una camera in cui ruota una girante aperta di tipo stellare, rotante con un gioco minimo, in modo da assicurare una elevata capacità d’innesco, lavora cioè a sfioramento con il corpo e la culatta della pompa, creando così una depressione che preleva il liquido che, dalla camera di aspirazione, tramite la luce di carico, viene trasferito alla luce di scarico e quindi alla camera di mandata. In una o in entrambe le pareti della camera o sulla faccia del rotore la pompa è dotata di una scanalatura circolare, opportunatamente sagomata a forma di canale, che determina una circolazione secondaria di liquido tra girante e canali laterali.
• Pompe centrifughe autoadescanti ad anello liquido, queste pompe sono dotate di girante stellare aperta, rotante eccentricamente entro la camera della pompa; la rotazione della girante fa addensare alla periferia della camera il liquido da pompare formando un anello liquido che andrà a riempire lo spazio delimitato tra le palette della girante scacciandone tutta l’aria; in tal modo si viene a creare una progressiva depressione che produce l’aspirazione del liquido.

Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico. Le pompe centrifughe sono spesso scelte per le loro capacità di portata elevata, per la compatibilità con le soluzioni abrasive, per il potenziale di miscelazione e per la loro ingegneria relativamente semplice.

Pompe rotative

Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione. Le pompe rotative sono progettate con distanze molto ridotte tra le parti rotanti e quelle fisse, per ridurre al minimo le perdite dal lato di mandata a quello di aspirazione.

Le pompe rotative possono essere ulteriormente classificate in tre tipologie in base alla tipologia di organo mobili con il quale sono costruite:

• Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento. Sono uno dei tipi più comuni di pompe per applicazioni idrauliche di potenza.
• Pompe a lobi simili alle pompe a ingranaggi, tranne per il fatto che i lobi sono progettati in modo da incontrarsi, anziché toccarsi e girare l’uno con l’altro.

Le pompe rotative sono comunemente utilizzate per far circolare l’olio lubrificante nelle apparecchiature meccaniche o per fornire pressione ai sistemi operativi idraulici.