L architettura costruttiva della elettropompa sommergibile. Analisi del sistema di vincoli funzionali e tecnologici e ricerca delle soluzioni

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1 L architettura costruttiva della elettropompa sommergibile Analisi del sistema di vincoli funzionali e tecnologici e ricerca delle soluzioni

2 Perché sommergibile? Storia di un problema e della sua soluzione Problema 1:-La pompa centrifuga non si innesca da sola -non va! bisogna mettere una valvola sul fondo del Stiamo realizzando uno scavo, nel corso dell opera lo scavo si allaga.. Bisogna drenare! In cantiere è disponibile energia elettrica quindi facile ed economico! usiamo una elettropompa centrifuga Una azienda svedese fondata nel 1922 da Hilding Flygt per la produzione di elettropompe centrifughe presenta una soluzione che risolve economicamente ed in un solo colpo i quattro problemi la pompa B. Il progettista Sixten Engelson ha una idea temeraria, usare un normale motore elettrico ad induzione e racchiuderlo in un contenitore stagno separando con una semplice tenuta che agisce sull albero la parte idraulica da quella elettrica. Grande successo commerciale è nata la pompa sommergibile Risolto! Sembrava facile ed economico! 1929-Cantiere per la costruzione della metropolitana di Berlino la ditta Pleuger risolve il problema costruendo speciali pompe sommerse con motore a rotore allagato tubo di aspirazione, riempire il tubo poi avviare l elettropompa. Risolto! Problema 2:-Appena il livello si abbassa tanto da far entrare aria nel tubo di aspirazione la pompa non eroga più -non va! bisogna realizzare un pozzetto di raccolta. Risolto! Problema 3:-L acqua è sporca la valvola di fondo non chiude perfettamente, ad ogni fermata il tubo di aspirazione si svuota e la pompa deve essere reinnescata -non va! Bisogna cambiare pompa è necessario passare ad una pompa autoinnescante. Risolto! Problema 4:-Lo scavo diventa sempre più profondo bisogna allungare il tubo di aspirazione le perdite di carico aumentano la pompa inizia a cavitare e la portata si riduce aiuto! No decisamente non va! E adesso che si fa? Serve un idea La storia METTIAMO L ELETTROPOMPA NELL ACQUA!

3 Una esigenza da soddisfare ed una idea i due elementi su cui si basa qualsiasi invenzione poi la palla passa agli ingegneri -l idea deve essere analizzata a fondo isolando le criticità Qual è il problema critico? Bisogna impedire che il liquido pompato dalla pompa centrifuga penetri all interno del motore attraversando il gioco che deve rimanere tra albero e carcassa e che permette al rotore di azionare la girante Aria Carcassa Gruppo motore Rotore Gruppo tenute Tenuta dinamica sul gioco Liquido pompato Gruppo pompa Liquido aspirato

4 Il grande successo commerciale della pompa B ha spinto molte aziende produttrici di elettropompe a cercare soluzioni affidabili per il principale problema di queste macchine. La tenuta sul gioco tra carcassa ed albero Le inesorabili leggi della selezione forzata dopo anni di tentativi, hanno fatto affermare la soluzione che fornisce il miglior compromesso tra funzionalità e costo : due tenute frontali separate da una camera riempita di olio Camera olio Tenuta lato motore Tenuta lato pompa L olio lubrifica le tenute frontali ed emulsiona eventuali piccole perdite della tenuta lato pompa causate dalle impurità trascinate dal liquido pompato

5 Vincoli funzionali Numerosità dei lotti prodotti Vincoli tecnologici Individuazione dei parametri che ottimizzano prestazioni ed affidabilità Individuazione dei parametri che ottimizzano la produzione Determinazione del sistema di vincoli e soluzione tramite soluzioni innovative

6 Per la realizzazione di una elettropompa sommergibile bisogna risolvere per ognuno dei tre gruppi di componenti: Motore, Tenuta, Pompa due vincoli uno di tipo funzionale ed uno prettamente tecnologico. Ognuno di essi ne implica altri in cascata ed il sistema di vincoli così ottenuto ammette in generale più soluzioni che sono in definitiva le possibili architetture costruttive Gruppo motore Elettropompa sommergibile Gruppo tenute Gruppo pompa Vincolo funzionale Vincolo tecnologico Vincolo funzionale Vincolo tecnologico Vincolo funzionale Vincolo tecnologico Vincoli indotti Vincoli indotti Vincoli indotti Vincoli indotti Vincoli indotti Vincoli indotti Soluzione del sistema di vincoli Architetture costruttive possibili

7 Vincoli imposti ai componenti del gruppo motore funzionale tecnologico Deve essere garantita l ermeticità del motore Deve essere possibile utilizzare motori con numero di poli differente sulla stessa carcassa Deve essere possibile alimentare il motore tramite inverter La carcassa motore deve essere a prova di esplosione Deve essere garantito lo smaltimento del calore prodotto dalle perdite nel motore Si deve garantire la possibilità di eseguire più volte la connessione dell avvolgimento con il cavo di alimentazione Si deve rendere minimo il numero di componenti Devono essere impiegati cuscinetti volventi a norma ISO La connessione tra bobine e cavo deve essere separata dal vano motore Per installazione in vasca con raffreddamento naturale Per installazioni a secco con raffreddamento forzato Deve essere possibile sostituire le bobine dello statore senza smontare il pacco statorico

8 Vincoli imposti ai componenti del gruppo pompa funzionale tecnologico Deve essere reso minimo il pericolo di intasamento Deve essere possibile lo smontaggio della sola parte idraulica Devono essere rese minime le perdite idrauliche Si deve rendere minimo lo sbalzo dell albero Deve essere possibile l istallazione a secco Devono essere rese minime le spinte assiali e radiali Deve essere possibile la regolazione del gioco tra girante e corpo Deve essere possibile il montaggio su piedi di aggancio rapido di aziende concorrenti Si deve garantire la massima intercambiabilità delle giranti sullo stesso corpo Si deve rendere minimo il numero di componenti Deve essere possibile utilizzare anche materiali resistenti alla corrosione o alla abrasione

9 Vincoli imposti ai componenti del gruppo tenute funzionale tecnologico Deve essere garantita la lubrificazione delle tenute Deve essere possibile il pre-assemblaggio del gruppo rotore-tenute Deve essere garantita la circolazione dell olio Le tenute devono essere frontali a norna DIN Si deve rendere minima la distanza tra le tenute Si deve garantire la massima intercambiabilità delle idrauliche sulla stessa camera olio Si deve rendere minimo il numero di componenti Deve essere reso minimo il pericolo di intasamento della tenuta lato pompa Deve essere possibile verificare lo stato dell olio senza smontare la macchina Deve essere possibile montare motori di diversa grandezza IEC sulla stessa camera olio

10 La combinazione dei vincoli imposti ai tre gruppi di componenti determinano un sistema di relazioni che può essere globalmente soddisfatto solo realizzando la camera olio come componente indipendente. La camera olio può essere inserita nella carcassa del motore elettrico o nel corpo pompa solo se si elimina dal sistema di vincoli il raffreddamento forzato Camera olio integrata Camera olio indipendente Permette solo il raffreddamento naturale Permette anche il raffreddamento forzato

11 Soluzione che rispetta tutti i vincoli imposti in grado di conseguire economie di scala per produzione in lotti ripetuti di numerosità compresa tra 10 e 100 pezzi Versione con raffreddamento forzato Le due versioni sono ottenute utilizzando gli stessi getti grezzi per la carcassa del motore e della camera olio i componenti vengono differenziati solo nella fase di lavorazione alle macchine utensili Versione con raffreddamento naturale

12 Schema del sistema di raffreddamento forzato Girante di circolazione Condotti di discesa Superfice di scambio Camicia Fori di ritorno glicole caldo Superfice alettata di scambio termico Fori di salita glicole freddo Camera olio

13 Getto grezzo Getto lavorato per raffreddamento naturale Ulteriore lavorazione per raffreddamento forzato Differenziazione della carcassa durante la fase di lavorazione alle macchine utensili Sede della camicia Fori di circolazione

14 Getto lavorato per raffreddamento naturale Ulteriore lavorazione per raffreddamento forzato Getto grezzo Differenziazione della camera olio durante la fase di lavorazione alle macchine utensili Sede disco di separazione Fori di circolazione

15 Componenti della camera olio nella versione per raffreddamento naturale e nella versione per raffreddamento forzato Tenuta lato motore Camera olio per raffreddamento forzato Disco di separazione Girante di ricircolo Portatenuta per raffreddamento forzato Camera olio per raffreddamento naturale Distanziatore Portatenuta per raffreddamento naturale Tenuta lato pompa

16 L architettura costruttiva trovata può essere applicata a due o più taglie contigue di motori IEC ciò rende possibile realizzare un piano di intercambiabilità che rende minimo il numero di componenti Componente in comune Gruppo 1 motori IEC112 IEC132 Gruppo 2 motori IEC160 IEC180 Gruppo 3 motori IEC200 IEC225 IEC250 Gruppo 4 motori IEC280 IEC315 Gruppo 5 motori IEC355 IEC400 Esempio di realizzazione del piano di intercambiabiltà dei motori con i pacchi statorici IEC112 e IEC132 del gruppo 1 Componenti in comune Componenti in comune

17 Esempio di serie completa di motori poli per potenze da 5.5 a 350kW realizzata sulla base della architettura costruttiva che soddisfa tutti i vincoli imposti

18 Unificando il centraggio del corpo e la estremità d albero lato pompa per due o più taglie di motori, si realizza un piano di intercambiabilità delle idrauliche con il minimo numero di componenti Intercambiabilità di diverse giranti sullo stesso corpo Idrauliche intercambiabili su motori 4 poli Rotori taglia IEC 112 e IEC132 a poli Idrauliche intercambiabili su motori 2 poli Idraulica a bassa prevalenza su motori 6poli Esempio di realizzazione del piano di intercambiabilità delle idrauliche sui motori IEC112 e IEC132

19 L aggiunta di un ulteriore vincolo tecnologico rende possibile l intercambiabilità delle idrauliche tra due gruppi di motori Rotori del piano di intercambiabilità IEC160-IEC180 Esempio di camere olio che permettono lo scambio di idrauliche tra il gruppo 1 ed il gruppo2 Questa variante geometrica della camera olio permette di realizzare il centraggio del corpo pompa di diametro inferiore a quello della carcassa del motore condizione che si verifica per le idrauliche montate su motori a 2 poli alimentati a 60Hz Componenti comuni per versione a raffreddamento naturale Componenti comuni per la versione a raffreddamento forzato Idrauliche del piano d intercambiabilità IEC112-IEC132

20 Sopprimendo uno alla volta vincoli tecnologici ed escludendo le soluzioni banali, il sistema fornisce una serie di architetture costruttive via via più economiche fino a quella con il minimo numero di componenti Soppressione del vincolo che impone la possibilità di riavvolgere il motore senza smontare il pacco statorico La soppressione del vincolo elimina un componente La carcassa aperta da entrambi i lati richiede un componente in più ma permette di realizzare il raffreddamento forzato e la separazione della zona di connessione dal vano motore Camera collegamento Tutti i vincoli rispettati Carcassa con un lato chiuso Camera olio indipendente diventa impossibile realizzare il raffreddamento forzato

21 Sopprimendo il vincolo che impone la possibilità di montare più grandezze IEC sulla stessa camera olio diventa possibile inserirla all interno della carcassa del motore Esempio di inserimento della camera olio nella carcassa del motore

22 La soppressione del vincolo che impone l uso di tenute frontali permette di eliminare un componente Componente che permette il montaggio della tenuta frontale lato motore Tenuta a labbro lato motore Tenuta frontale lato pompa

23 Esempio di piano di intercambiabilità delle idrauliche ottenuto con camera olio inserita nella carcassa motore per la grandezza IEC71 Unica taglia di motore con diverso numero di poli

24 Sopprimendo il vincolo che impone la intercambiabilità delle idrauliche sulla stessa camera olio si ottiene una variante con corpo pompa integrato nel corpo motore

25 Sopprimendo il vincolo che impone la carcassa motore a prova di esplosione si ottiene l architettura costruttiva con il minimo numero di componenti Eliminazione del tagliafiamma sull albero richiesto per la carcassa motore a prova di esplosione Minimo numero di pezzi che permette ancora l assemblaggio della elettropompa