Sezione idraulica e sezione di potenza di una pompa centrifuga

Iniziamo a vedere da quali parti e componenti è costituita una pompa così da approfondire subito le nostre conoscenze a riguardo. E’ essenziale quindi comprendere lo scopo e la funzione di ogni componente per svolgere successivamente una manutenzione corretta delle pompe centrifughe.

Nell’articolo precedente abbiamo iniziato a conoscere da vicino i sistemi di pompaggio, attraverso una definizione e classificazione delle principali tipologie di pompe comunemente utilizzate nell’industria moderna. La nostra analisi prenderà in considerazione per il momento esclusivamente le pompe centrifughe.

Il passo successivo è quello di conoscere le dinamiche di funzionamento e soprattutto la composizione di una pompa centrifuga. Parliamo infatti della seconda tipologia di macchinario industriale più diffusa al mondo, dietro solo ai motori elettrici.

Gli argomenti che tratteremo in questo articolo riguardano:

• Configurazione di una pompa centrifuga con girante a sbalzo
• Configurazione di una pompa centrifuga a doppio supporto (pompe split).

Come anticipato, il nostro studio dei principi di fluidodinamica si concentrerà sulle pompe centrifughe.

In quante parti è possibile suddividere una pompa centrifuga?

Una pompa centrifuga può essere suddivisa in quattro parti:

• Sezione idraulica (in pratica la parte della pompa a contatto con il fluido)
• Sezione di potenza
• Motore elettrico
• Basamento e fondamenta

Sezione idraulica di una pompa centrifuga con girante a sbalzo: funzione e composizione

Possiamo suddividere la sezione idraulica di una pompa centrifuga nei seguenti componenti:

• Voluta (corpo pompa)
• Girante
• Anello di usura
• Cassa-stoppa (camera di tenuta)
• Sistema di tenuta (baderna o tenuta meccanica)
• Diffusore
• Camicia di raffreddamento
• Bocchello di aspirazione
• Anello a lanterna

La sezione idraulica di una pompa centrifuga è composta essenzialmente da una parte mobile detta girante, che aspira il fluido da una tubazione di aspirazione, comunicante con il centro della pompa, e trasferisce al liquido l’energia meccanica trasmessa dal motore sotto forma di energia cinetica.

La girante (attraverso l’albero che a sua volta è collegato al motore) gira in una camera fissa a forma di chiocciola, chiamata voluta o corpo pompa, entro cui si muove il liquido spinto dalla forza centrifuga impressale dalla girante, che trasforma l’energia cinetica del liquido in energia di pressione e lo incanala nella tubazione di mandata comunicante con la periferia della pompa.

La girante è una “ruota” dotata di palette che può essere realizzata secondo molte varianti costruttive a seconda delle prestazioni richieste: girante chiusa, girante aperta, girante mono-canale, girante arretrata, girante vortex, giranti assiali, giranti semi-assiali.

Qual è la funzione della cassa-stoppa (camera di tenuta)?

La cassa-stoppa è un’apertura cilindrica ricavata nella struttura della pompa centrifuga al cui interno passa l’albero fino ad arrivare alla girante. La funzione primaria della cassa-stoppa è quella di contenere al suo interno un sistema di tenuta (baderna o tenuta meccanica) al fine di contenere o eliminare le perdite del prodotto pompato. Se come sistema di tenuta viene utilizzata una tenuta meccanica, la cassa-stoppa viene generalmente definita come “camera di tenuta”.

Qual è la funzione del sistema di tenuta?

Generalmente (vedremo in un altro articolo quale può essere una terza opzione) come sistema di tenuta su una pompa possiamo trovare:

• Baderna
• Tenuta meccanica

Il sistema di tenuta si trova (tutto o in parte) all’interno della cassa-stoppa (o camera di tenuta) con la funzione di contenere o eliminare le perdite di prodotto contenuto all’interno della voluta della pompa centrifuga.

Qual è la funzione della camicia di raffreddamento?

In alcune applicazioni, l’alta temperatura del fluido pompato può compromettere seriamente il buon funzionamento del sistema di tenuta contenuto all’interno della cassa-stoppa. È per questo motivo che molte pompe centrifughe progettate per lavorare con fluidi ad alte temperature, presentano una camicia di raffreddamento intorno alla cassa-stoppa. All’interno della camicia di raffreddamento viene iniettato un liquido (generalmente acqua fredda) per diminuire la temperatura all’interno della cassa-stoppa per permettere al sistema di tenuta di lavorare in condizioni di bassa-media temperatura, massimizzandone la performance.

In alcuni casi all’interno della camicia di raffreddamento viene inserito un fluido caldo, con la funzione di mantenere una temperatura costante all’interno della pompa. Ad esempio, quando vengono pompati fluidi molto viscosi, come asfalto, resine, vernici, cioccolato,… al fine di evitare la solidificazione del prodotto a causa delle basse temperature presenti all’esterno della pompa, viene iniettato un fluido caldo all’interno della camicia di raffreddamento per permettere ad asfalto, vernici, resine ecc. di mantenersi liquidi e non solidificarsi, contribuendo a far lavorare meglio anche il sistema di tenuta.

Qual è la funzione di un anello a lanterna?

La funzione di un anello a lanterna, posizionato all’interno della cassa-stoppa (esclusivamente quando viene utilizzata la baderna come sistema di tenuta), è quella di permettere l’inserimento all’interno della cassa-stoppa di un fluido pulito (ad una pressione superiore di almeno 1 bar rispetto alla pressione del fluido pompato) che allontani particelle abrasive dalla zona di tenuta, permettendo alla baderna di lavorare meglio e allungarne la durata in esercizio.

Un anello a lanterna è in genere realizzato in metallo, carbo-grafite o PTFE.

Sezione di potenza di una pompa centrifuga con girante a sbalzo: funzione e composizione

Possiamo suddividere la sezione di potenza di una pompa centrifuga nei seguenti componenti:

• Camera dei cuscinetti
• Scudo di chiusura parte di idraulica
• Albero
• Cuscinetti
• Protezione per cuscinetti (anello di tenuta)
• Lubrificante per cuscinetti
• Camera di raffreddamento della parte di potenza

Qual è la funzione della camera dei cuscinetti?

La camera dei cuscinetti è una struttura al cui interno vengono inseriti i cuscinetti. Questa camera, teoricamente, contiene al suo interno anche altri componenti che si trovano nella parte di potenza di una pompa centrifuga. Alcuni componenti, come gli anelli di tenuta, vengono spesso considerati parte integrante della camera dei cuscinetti, nonostante noi li tratteremo in maniera separata.

Qual è la funzione dello scudo di chiusura della parte idraulica?

Lo scudo di chiusura della parte idraulica è un componente realizzato meccanicamente che permette l’assemblaggio tra la sezione idraulica di un pompa centrifuga alla sua sezione di potenza. E’ una parte che generalmente si trova separata dalla camera dei cuscinetti ma talvolta è un pezzo unico.

Qual è la funzione dell’albero di una pompa centrifuga?

L’albero di una pompa centrifuga è utilizzato per trasmettere energia (potenza) dal motore al fluido attraverso la rotazione della girante. L’albero è uno dei componenti principali della zona di potenza ed è supportato dai cuscinetti affinché non vi siano eccessivi sbalzi.

Qual è la funzione dei cuscinetti?

La funzione primaria dei cuscinetti è quella di mantenere supportato e allineato l’albero, sottoposto a carichi sia radiali che assiali.

I cuscinetti che forniscono un supporto radiale vengono definiti cuscinetti radiali. Questi cuscinetti mantengono l’albero in posizione quando è sottoposto a movimenti dal basso verso l’alto o viceversa. I cuscinetti radiali sono quasi sempre collocati vicino alla girante, questo perché nella voluta della pompa si riscontrano la maggior parte dei movimenti radiali.

I cuscinetti che stabilizzano assialmente l’albero sono chiamati cuscinetti assiali reggispinta. Questi cuscinetti stabilizzano l’albero quando è soggetto a movimenti in avanti e indietro. Generalmente i cuscinetti assiali reggispinta sono collocati vicini al semi-giunto di accoppiamento. I cuscinetti assiali sono mantenuti in posizione da un anello inserito in una cava ricavata nella camera dei cuscinetti che previene movimenti assiali all’interno della camera stessa.

Perché bisogna proteggere i cuscinetti?

Ogni cuscinetto va protetto dall’ambiente esterno attraverso una protezione per cuscinetti, avente anche funzione di mantenere all’interno della camera il lubrificante per i cuscinetti.

I contaminanti esterni possono essere polvere, particelle abrasive, acqua ecc.

Sul mercato esistono prevalentemente due forme di protezione per cuscinetti:

• Anelli di tenuta a labbro (paraolio)
• Tenute a labirinto

Senza questo tipo di protezione i cuscinetti fallirebbero nel giro di pochi minuti. Vediamo in dettaglio in cosa consistono e quali sono le differenze tra questi due tipi di protezione.

Anelli di tenuta a labbro per alberi rotanti

Gli anelli di tenuta per alberi rotanti sono la forma di protezione cuscinetti più utilizzata, in quanto si tratta della più economica. Sono utilizzati fin dagli inizi del 1900 ed utilizzano un labbro, generalmente realizzato in NBR, che lavora sull’albero. Quest’ultimo, in sostanza, ruota all’interno dell’anello di tenuta. Sfortunatamente, la loro vita operativa è molto breve quando vengono utilizzati sulle pompe (hai letto il nostro articolo sul perché è meglio utilizzare anelli di tenuta in PTFE caricato?): la maggior parte degli anelli di tenuta convenzionali fallisce nel giro di sei mesi (2000-400 ore di lavoro) quando utilizzati 24 ore su 24.

Tenute a labirinto

Anche le tenute a labirinto sono utilizzate sulle pompe da diversi decenni ma è solo da 10/15 anni che gli operatori di manutenzione hanno iniziato ad usarle con continuità. Queste tenute hanno un prezzo di acquisto più alto rispetto ai classici anelli di tenuta a labbro ma, teoricamente, hanno un’aspettativa di vita infinita. Le tenute a labirinto sono composte da due parti, una rotante ed una statica. In una normale applicazione, queste due parti non entreranno mai a contatto l’una con l’altra e permettono di mantenere efficacemente il lubrificante all’interno della camera ed evitano che le particelle abrasive esterno o altri agenti contaminanti possano danneggiare il cuscinetto.

Differenze tra Pompa centrifuga con girante a sbalzo e Pompa centrifuga a doppio supporto

Sebbene in quest’articolo ci siamo concentrati sulle pompe centrifughe più comuni, ovvero le pompe centrifughe con girante a sbalzo, vediamo quali sono le principali differenze con le pompe centrifughe a doppio supporto, chiamate anche pompe split.

La funzione di entrambe le pompe è la stessa, vi sono esclusivamente differenze costruttive. Quella che viene subito all’occhio riguarda la girante: nelle pompe centrifughe a doppio supporto la girante è al centro della pompa ed è supportata da cuscinetti in entrambi i lati. In questo caso quindi troveremo due casse-stoppa, ovvero due sistemi di tenuta, uno per entrambi i lati (es. due tenute meccaniche). Una configurazione tipica delle pompe a doppio supporto è quella di contenere all’interno più giranti; in questo caso la pompa si definisce multi-stadio.

Leggi l’articolo successivo della serie Elementi di base delle pompe centrifughe dove vedremo quali sono i termini comunemente associati al funzionamento delle pompe.