1. Definizione e impatti chiave del gap della girante

Il gioco della girante si riferisce al gioco radiale tra la girante e il corpo della pompa (o anello della paletta di guida), che in genere varia da 0.2 mm a 0.5 mm. Questo gioco influisce in modo significativo sulle prestazioni di  pompe a turbina verticale multistadio in due aspetti principali:

● Perdite idrauliche: spazi eccessivi aumentano il flusso di perdita, riducendo l'efficienza volumetrica; spazi eccessivamente piccoli possono causare usura da attrito o cavitazione.

● Caratteristiche del flusso: la dimensione dello spazio influenza direttamente l'uniformità del flusso all'uscita della girante, influenzando così le curve di prevalenza ed efficienza.

2. Basi teoriche per l'ottimizzazione dello spazio tra le giranti

2.1 Miglioramento dell'efficienza volumetrica

L'efficienza volumetrica (ηₛ) è definita come il rapporto tra il flusso di uscita effettivo e il flusso teorico:

ηₛ = 1 − QQperdita

dove Qleak è il flusso di perdita causato dal gap della girante. Ottimizzare il gap riduce significativamente la perdita. Ad esempio:

● Riducendo la fessura da 0.3 mm a 0.2 mm si riducono le perdite del 15-20%.

● Nelle pompe multistadio, l'ottimizzazione cumulativa tra gli stadi può migliorare l'efficienza totale del 5-10%.

2.2 Riduzione delle perdite idrauliche

L'ottimizzazione dello spazio migliora l'uniformità del flusso all'uscita della girante, riducendo la turbolenza e quindi minimizzando la perdita di carico. Ad esempio:

● Le simulazioni CFD mostrano che riducendo lo spazio da 0.4 mm a 0.25 mm si riduce l'energia cinetica turbolenta del 30%, corrispondente a una riduzione del 4-6% del consumo di potenza dell'albero.

2.3 Miglioramento delle prestazioni di cavitazione

Grandi spazi vuoti esacerbano le pulsazioni di pressione all'ingresso, aumentando il rischio di cavitazione. L'ottimizzazione dello spazio vuoto stabilizza il flusso e aumenta il margine NPSHr (prevalenza di aspirazione netta positiva), particolarmente efficace in condizioni di basso flusso.

3. Casi di verifica sperimentale e di ingegneria

3.1 Dati dei test di laboratorio

Un istituto di ricerca ha condotto test comparativi su un pompa a turbina verticale multistadio (parametri: 2950 giri/min, 100 m³/h, prevalenza 200 m).

3.2 Esempi di applicazioni industriali

● Retrofit della pompa di circolazione petrolchimica: una raffineria ha ridotto lo spazio tra la girante e il corpo pompa da 0.4 mm a 0.28 mm, ottenendo un risparmio energetico annuo di 120 kW·h e una riduzione dell'8% dei costi operativi.

● Ottimizzazione della pompa di iniezione della piattaforma offshore: utilizzando l'interferometria laser per controllare lo spazio (±0.02 mm), l'efficienza volumetrica di una pompa è migliorata dall'81% all'89%, risolvendo i problemi di vibrazione causati da spazi eccessivi.

4. Metodi di ottimizzazione e fasi di implementazione

4.1 Modello matematico per l'ottimizzazione dei gap

Sulla base delle leggi di similarità delle pompe centrifughe e dei coefficienti di correzione, la relazione tra gap ed efficienza è:

η = η₀(1 − k·δD)

dove δ è il valore dello spazio, D è il diametro della girante e k è un coefficiente empirico (tipicamente 0.1–0.3).

4.2 Tecnologie di implementazione chiave

●Produzione di precisione: Le macchine CNC e gli utensili di rettifica raggiungono una precisione micrometrica (IT7–IT8) per giranti e involucri.

●Misurazione in situ: Gli strumenti di allineamento laser e gli spessimetri a ultrasuoni monitorano gli spazi vuoti durante l'assemblaggio per evitare deviazioni.

● Regolazione dinamica: Per fluidi ad alta temperatura o corrosivi vengono utilizzati anelli di tenuta sostituibili con regolazione fine basata sui bulloni.

4.3 Considerazioni

● Equilibrio attrito-usura: Gli spazi sottodimensionati aumentano l'usura meccanica; la durezza del materiale (ad esempio, Cr12MoV per le giranti, HT250 per le carcasse) e le condizioni operative devono essere bilanciate.

● Compensazione della dilatazione termica: Per le applicazioni ad alta temperatura (ad esempio pompe per olio caldo) sono necessari spazi riservati (0.03–0.05 mm).

5. Tendenze future

●Progettazione digitale: Gli algoritmi di ottimizzazione basati sull'intelligenza artificiale (ad esempio gli algoritmi genetici) determineranno rapidamente i gap ottimali.

●Produzione di additivi: La stampa 3D in metallo consente di progettare giranti e involucri integrati, riducendo gli errori di assemblaggio.

●Monitoraggio intelligente: I sensori in fibra ottica abbinati ai gemelli digitali consentiranno il monitoraggio dei gap in tempo reale e la previsione del degrado delle prestazioni.

Conclusione

L'ottimizzazione del gap della girante è uno dei metodi più diretti per migliorare l'efficienza della pompa a turbina verticale multistadio. Combinando la produzione di precisione, la regolazione dinamica e il monitoraggio intelligente è possibile ottenere guadagni di efficienza del 5-15%, ridurre il consumo di energia e abbassare i costi di manutenzione. Con i progressi nella fabbricazione e nell'analisi, l'ottimizzazione del gap evolverà verso una maggiore precisione e intelligenza, diventando una tecnologia fondamentale per il retrofit energetico della pompa.

Nota: Le soluzioni ingegneristiche pratiche devono integrare le proprietà del mezzo, le condizioni operative e i vincoli di costo, convalidati tramite l'analisi del costo del ciclo di vita (LCC).