Positive Displacement Pumps: Pressure Modelling for Performance Analysis

La distribuzione della pressione all'interno di pompe volumetriche rotative varia periodicamente con la posizione del rotore; le conseguenti forze di pressione variabili rappresentano le principali fonti di vibrazioni e rumore. Questa tesi presenta diverse metodologie di modellazione per la simulazione dell'evoluzione di pressione in funzione della posizione del rotore in condizioni di lavoro, per questo tipo di pompe. Da un lato, viene sviluppato un approccio a parametri concentrati, applicato ad una pompa ad ingranaggi esterni per applicazioni automobilistiche; d’altro lato, viene studiato un approccio empirico, adottato nel caso di una famiglia di pompe a palette a cilindrata variabile. Nel primo approccio, il volume fluido della pompa è suddiviso in volumi di controllo e viene risolto un sistema di equazioni di continuità. La metodologia di modellazione è generale e può essere applicata a qualsiasi pompa ad ingranaggi a denti diritti con profilo ad evolvente. I vari coefficienti di efflusso in regime laminare o turbolento sono stimati mediante opportune simulazioni fluidodinamiche CFD. Il modello è stato soddisfacentemente validato mediante il confronto con risultati sperimentali, in termini di efficienza volumetrica e di ripple di pressione in mandata, in differenti condizioni operative. Il modello validato ha poi permesso di svolgere un’indagine di sensibilità, utile per l’ottimizzazione di parametri progettuali e funzionali della pompa: profondità e larghezza della ”Epsilon Groove”, eccentricità delle ruote nel corpo pompa, caratteristiche e temperatura dell’olio. . I risultati di questa analisi saranno utili nell’ottimizzazione dell’efficienza e del comportamento dinamico. Venendo all'approccio empirico, la modellazione della distribuzione di pressione non si basa in questo caso su leggi fisiche, ma sulla parametrizzazione di dati sperimentali: vengono individuate regole di correlazione tra le caratteristiche dell’evoluzione di pressione e i parametri geometrici e funzionali, relativamente ad una specifica famiglia di pompe di diverse dimensioni. Come applicazione del modello empirico, è stata condotta un'analisi del regime di usura e lubrificazione nel contatto tra le palette e l'anello statorico; tale analisi è stata effettuata mediante un metodo originale basato sul modello di usura di Archard, che associa il coefficiente di usura alle forze di contatto ottenute mediante il modello empirico, al tasso di usura ed alla durezza del materiale, misurati sperimentalmente; i risultati ottenuti vengono confrontati con i risultati forniti da un modello di lubrificazione elasto-idrodinamica al fine di valutare lo spessore del meato ed il regime di lubrificazione. Questo metodo è applicato ad un caso industriale al fine di dare indicazioni per la scelta appropriata dei materiali. Come risultato generale, entrambi gli approcci di modellizzazione producono risultati affidabili, utili per l'analisi delle eccitazioni vibro-acustiche, per l'ottimizzazione strutturale, nonché per la valutazione del regime di lubrificazione ed usura. Tuttavia si rileva che, da un lato, l'approccio a parametri concentrati permette di simulare il comportamento di pompe di diversa tipologia e di valutare l’effetto di una vasta gamma di modifiche, da prendere in considerare per l’ottimizzazione del progetto. D'altro lato, i modelli empirici sono meno flessibili rispetto ai modelli a parametri concentrati, in quanto sono applicabili solo a una famiglia di pompe; tuttavia, essi rappresentano strumenti efficaci per la R&S in ambito industriale, in quanto sono caratterizzati da tempi di sviluppo più rapidi e da un più facile impiego.