1. CLASSIFICAZIONE DELLE MACCHINE Si definisce macchina un insieme di organi meccanici, fissi e mobili, collegati tra loro in maniera cinematicamente definita, dei quali almeno uno è in movimento soggetto a forze e quindi compie o subisce lavoro. Più in particolare, si definisce macchina a fluido una macchina in cui lo scambio di energia con le pareti in movimento avviene per mezzo di un fluido. Spesso tuttavia si omette il termine a fluido e si utilizza la dizione generica di macchine per indicare i dispositivi in grado di realizzare conversioni dell energia per mezzo di un fluido. L energia ottenuta risulta sempre inferiore rispetto all energia disponibile inizialmente, a causa delle inevitabili perdite. Obiettivo dello studio delle macchine è pertanto proprio quello di analizzare le modalità con cui avviene la conversione dell energia, ed in particolare le trasformazioni subite dal fluido utilizzato, al fine di minimizzare tali perdite. Una prima classificazione delle macchine può essere effettuata in base al tipo di fluido, distinguendo le seguenti categorie: macchine idrauliche - il fluido di lavoro è incomprimibile ed i fenomeni termici sono trascurabili (esempi: pompe, turbine idrauliche); macchine termiche - il fluido di lavoro è comprimibile e le variazioni di densità legate a fenomeni termici sono estremamente marcate (esempi: compressori, turbine, motori alternativi a combustione interna). Un secondo criterio di classificazione delle macchine può essere basato sul fatto che la macchina riceva o fornisca energia meccanica, individuando così le seguenti categorie: macchine motrici - il fluido trasmette parte della sua energia agli organi mobili della macchina, che è quindi in grado di fornire energia meccanica ad un utilizzatore esterno (esempi: turbine, motori alternativi a combustione interna); macchine operatrici - l energia meccanica viene fornita dall esterno alla macchina e da questa utilizzata per compiere lavoro sul fluido (esempi: compressori, pompe). Una ulteriore distinzione può essere fatta riguardo alle modalità con cui avviene lo scambio di lavoro tra il fluido e gli organi mobili della macchina, distinguendo le seguenti categorie: macchine volumetriche - il fluido agisce staticamente su pareti mobili che realizzano, all interno della macchina, camere a volume variabile ciclicamente; se la variazione ciclica di volume è ottenuta tramite stantuffi o altro organo dotato di moto alterno, la macchina volumetrica si dirà alternativa (esempi: compressori alternativi a stantuffo, motori alternativi a combustione interna); se l organo mobile che scambia lavoro con il fluido è dotato di un moto rotatorio, la macchina si dirà invece rotativa (esempi: compressori Roots, compressori a palette); Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 1. Classificazione delle Macchine - pag. 8
turbomacchine - il fluido percorre la macchina in condizioni di moto permanente scambiando lavoro con gli organi mobili della macchina in virtù di variazione della sua quantità di moto o del suo momento della quantità di moto (esempi: turbine, turbocompressori, reattori); a seconda della direzione seguita dal fluido nell attraversare la macchina, le turbomacchine si diranno poi assiali o radiali queste ultime a loro volta classificabili in centrifughe o centripete. Figura 1.1: Sezione longitudinale di una turbina a vapore assiale (turbomacchina assiale termica motrice). Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 1. Classificazione delle Macchine - pag. 9
Figura 1.2: Turbocompressore assiale (turbomacchina assiale termica operatrice). Figura 1.3: Sezione longitudinale di un turbogetto aeronautico (macchina costituita dall insieme di un turbocompressore, un combustore, una turbina ed un ugello). Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 1. Classificazione delle Macchine - pag. 10
Figura 1.4: Pompa centrifuga ad asse orizzontale (turbomacchina radiale idraulica operatrice). Figura 1.5: Sezione trasversale di un compressore volumetrico rotativo tipo Roots (macchina volumetrica rotativa termica operatrice) Figura 1.6: Sezione trasversale di un compressore volumetrico rotativo a palette (macchina volumetrica rotativa termica operatrice). Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 1. Classificazione delle Macchine - pag. 11
Figura 1.7: Sezione trasversale di un motore alternativo (macchina volumetrica alternativa termica motrice). Appunti del Corso (Docente: Fabio Mallamo) 1. Classificazione delle Macchine - pag. 12