Compressore centrifugo: differenze tra le versioni

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[[File:NASA CC3 impeller and wedge diffuser.jpg |thumb|upright=1.4|Un compressore centrifugo è costituito da un corpo esterno che racchiude una [[girante]] con il suo diffusore (in questo caso di tipo cuneiforme)]]

Un '''compressore centrifugo''', o anche '''compressore radiale''', è una [[turbomacchina]] [[macchina operatrice|operatrice]] nella quale una [[girante]] posta in rapida rotazione fornisce [[energia]] ad un [[fluidodinamica#Fluido comprimibile (o compressibile)|fluido comprimibile]] al fine di aumentarne la [[pressione]].

==Storia==

[[ImmagineFile:Centrifugal compressor types.svg|thumb|Diverse configurazioni di un compressore centrifugo]]

Le prime applicazioni che prevedevanocon l'impiego di ventilatori[[ventilatore]] centrifughicentrifugo si ebbero nel campo dell'industria mineraria estrattiva per la ventilazione forzata delle miniere a partire dal [[XVI secolo|sedicesimo secolo]]. A tutt'oggi rimane però incerta la paternità delll'invenzione della girante, che è antecedente.

Alcuni pensano che sia stato [[Leonardo da Vinci]] a suggerire per primo l'uso della [[forza centrifuga]] per sollevare liquidi<ref name=hist1>{{Cita web|url=http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/february99/features/crystal/crystal.html|titolo=From the Crystal Palace to the pump room|autore=Abraham Engeda|lingua=en|accesso=16 dicembre 2011|urlmorto=sì|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090115221252/http://www.memagazine.org/backissues/membersonly/february99/features/crystal/crystal.html|dataarchivio=15 gennaio 2009}}</ref>, altre fonti riportano che fu Johann Jordan, nel 1680, a costruire una primitiva pompa centrifuga, seguito nel 1703 da [[Denis Papin]] che la utilizzò per chiarire la formazione di un vortice forzato in un contenitore circolare o spirale mediante l'uso di palette.<ref name=hist1/><ref name = brix>{{Cita libro|autore=F. A. Brix|titolo=Centrifugal Pumps|url=https://archive.org/details/centrifugalpump00dauggoog|anno=1915|editore=McGraw-Hill Book Company, Inc|lingua=inglese}}</ref><ref name = gracey>{{Cita libro|autore=Michael T. Gracey|titolo=High-Pressure Pumps|url=https://archive.org/details/highpressurepump0000grac|anno=2006|editore=Elsevier Inc|lingua=inglese|isbn=0-7506-7900-X}}</ref> In seguito altri scienziati come Kernelien Le Demour, nel 1732, e [[Daniel Gabriel Fahrenheit]] descriveranno giranti centrifughe, ma non risultano applicazioni pratiche dei loro studi.<ref name=hist1/>

Tra il 1752 ed il 1754, [[Eulero]] discusse nell'ambito delle sue ricerche nel campo dell'idrodinamica, la sua teoria sui vortici. Solo nel 1818, però, viene costruita da un anonimo la prima pompa centrifuga moderna, nota come la ''Pompa di Boston'' (o del Massachusetts), suo luogo di origine.<ref name=brix/>

Il primo brevetto per una [[turbina a gas]] fu rilasciato nel 1791 all'inglese [[John Barber (ingegnere)|John Barber]], ma la tecnologia dell'epoca non era ancora pronta. La scarsa efficienza dei compressori, unita a materiali che non erano in grado di resistere alle alte temperature necessarie impedirono, fino ai primi anni del [[XX secolo|Novecento]], di costruire delle turbine in grado di muovere il compressore e fornire allo stesso tempo lavoro utile. I primi a riuscire nell'impresa furono i fratelli Armengaud in Francia, che sulla base di un brevetto di Charles Lemale costruirono una turbina tra il 1905 ed il 1906. Questa turbina di tipo misto vapore-aria era dotata di un compressore centrifugo multistadio che forniva un rapporto di compressione totale di 3:1 e benché funzionasse, aveva un rendimento di solo il 3%.<ref>{{Cita web|url=http://www.turbomachine.com/history/|titolo=Gas Turbine History|accesso=16 dicembre 2011|lingua=en}}</ref>

In campo aeronautico bisognerà attendere gli [[anni 1930|anni trenta]] perché la tecnologia permettesse l'uso della turbina a gas per la propulsione aerea con i primi modelli di turbogetto con compressore centrifugo studiati da [[Frank Whittle]] in [[Regno Unito|Gran Bretagna]] e [[Hans von Ohain]] in [[Germania]].

==Descrizione del funzionamento==

[[File:Diagramma compressore centrifugo.svg|thumb|upright=1.4|Andamento qualitativo della pressione e della velocità nelle varie sezioni di un compressore centrifugo.]]

Il compressore centrifugo è costituito da un disco palettato (girante o ''impeller'') messo in rotazione ad alta velocità. A causa della forza centrifuga impressa dal disco palettato, l'aria viene aspirata dal centro della girante ed accelerata radialmente con un certo incremento di [[pressione staticadinamica]]. L'aria, una volta lasciata la girante, viene convogliata in un diffusore costituito da canali divergenti (parte statorica della turbomacchina) che converte l'energia cinetica in energia di pressione.<ref name = Giacosa749-750>{{Cita|Giacosa|pp. 749-750}}.</ref>

Generalmente i compressori centrifughi sono progettati in modo tale che l'aumento di pressione avvenga per metà nella girante e per metà nel diffusore, cioè con un [[Turbomacchina#Grado di reazione|grado di reazione]] pari ad 1/2. Maggiore è la velocità di rotazione della girante e maggiore sarà la portata e l'aumento di pressione. Il limite superiore alla velocità di rotazione è però dettato da considerazioni costruttive legate agli sforzi meccanici che agiscono sul disco e alla velocità dell'aria in uscita dalla girante che deve essere minore di [[Numero di Mach|Mach]] 1 per evitare gli effetti di compressibilità per il [[Muro del suono|effetti di comprimibilità]] e di [[limite di pompaggio|pompaggio]] che porterebbero ad un crollo dell'efficienza del compressore.<ref name=Giacosa749-750/><ref name = Gamma1>{{Cita web|url=http://dma.ing.uniroma1.it/users/lsa_ma/MATERIALE/CAP5-Il%20Compressore%20Centrifugo.pdf|titolo=Motori per Aeromobili - Il compressore centrifugo|autore=Fausto Gamma|sito=Corso di Motori per Aeromobili - La Sapienza Università degli Studi di Roma}}</ref><ref name = RR19-21>{{Cita|Rolls-Royce|pp. 19-21}}.</ref>

==Componenti principali==

Il compressore centrifugoradiale si costituisce di una parte rotorica (girante) ed una statorica (diffusore) racchiuse da un corpo (o carcassa) che funge da [[presa d'aria]] (in ingresso) e da [[collettore]] in uscita. In alcuni motori aeronautici, più compressori centrifughi possono essere montati in serie (uno a valle dell'altro) per aumentare il [[rapporto di compressione]] totale.

===Trasmissione===

La trasmissione del moto alla girante può avvenire in vari modi:

*'''Diretto''', soluzione tipica dei [[Motore a reazione|motori a reazione]] degli aerei, dove l'albero motore aziona anche il compressore centrifugo.

*'''Cinghie''', cinghie di vario tipo utilizzate per trasmettere il moto tra due pulegge.

**'''Variatore''', si tratta di una soluzione con cinghie trapezoidali e pulegge a dimensione variabile, che permettono un aumento del range di funzionamento.<ref>[https://www.motociclismo.it/benda-sviluppa-bicilindrico-a-v-sovralimentato-disegni-brevetto-82088 Benda sviluppa un bicilindrico a V sovralimentato]</ref>

*'''Ingranaggi''', tramite una cascata d'ingranaggi si aziona la girante.

**'''Epicicloide''', soluzione che utilizza una cascata d'ingranaggi secondo il modello epicicloide, come nel caso della [[Kawasaki Ninja H2]].

===Girante===

[[ImmagineFile:Centrifugal_2.png |thumb|Schema in vista frontale di una girante di un compressore centrifugo, con evidenziato il relativo [[triangolo delle velocità]].]]

[[ImmagineFile:Compressor wheel Napier NA357.JPG|thumb|Girante del tipo aperto di un compressore centrifugo.]]

[[ImmagineFile:Bristol Centaurus centrifugal supercharger.jpg|thumb|left|Girante del tipo chiuso di un compressore centrifugo.]]

La girante, costituita da un disco rotorico, può essere aperta o chiusa (c'è un secondo disco ricavato sulla girante che copre le palette e sigilla i canali), inoltre la palettata può essere su una sola o su entrambe le facce del disco. Quest'ultimo caso, girante a doppio ingresso, fu largamente utilizzata nei primi motori turbogetto dotati di compressore centrifugo (come il [[Rolls-Royce Nene|Nene]]) per aumentarne la portata con un ingombro assiale leggermente superiore.

I primi compressori centrifughi avevano le palettature radiali dritte in modo da resistere meglio agli sforzi meccanici dovuti alla forza centrifuga. Con l'affinamento delle tecniche metallurgiche e l'introduzione di nuovi materiali le palette seguono profili curvi che migliorano il rendimento. Nel caso ideale, a parità di velocità periferica della girante ('''V_p''' nell'immagine a fianco), un profilo di uscita curvato in senso contrario a quello di rotazione, comporta minori velocità assolute ('''V_t''') e minori perdite nel diffusore, viceversa un profilo con il bordo di attacco curvato nel senso di rotazione favorisce l'ingresso dell'aria.<ref name=Gamma1/> Per questo motivo, palettature con angolo di uscita minoremaggiore di 90° (quindi curvate in avanti, in maniera concorde al verso di rotazione), vengono spesso usate nel caso di ventilatori dove la componente cinetica ha un ruolo rilevante rispetto alla variazione del livello di pressione tra ingresso e uscita della girante.

Nel caso ideale l'aria lascia la girante con la sola velocità relativa ('''V_r''') a cui, come detto si somma la velocità periferica. Nel caso reale, però, all'interno di ogni canale compreso tra due palette si stabilisce un gradiente di pressione trasversale (in analogia a quanto succede in un [[profilo alare]]) che genera una componente di velocità relativa tale da far ''scivolare'' <ref>in inglese tale fenomeno è definito ''slip''.</ref> l'aria all'indietro di un certo angolo. Questo comporta che, nel caso reale, la componente della velocità dell'aria in uscita tangenziale alla girante, sarà inferiore alla velocità periferica della girante, riducendo lo scambio energetico teorico (per unità di massa) a disposizione che varrà (per un compressore centrifugo con ingresso assiale ed uscita radiale):

<math>\Delta h_0 = V_p V_{t_p} = \sigma V_p^2 </math>

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==Effetti di comprimibilità==

Quando la velocità relativa tra un fluido comprimibile ed un corpo solido raggiunge velocità prossime a quella del suono ([[numero di Mach|Mach]] = 1), si innescano fenomeni di distacco di vena con formazione di vortici e onde d'urto che dissipano energia comportando notevoli perdite di pressione totale. Dal momento che il processo di diffusione è già critico a bassa velocità, appare chiaro che raggiungere velocità soniche in ingresso ad un diffusore può dar luogo a grosse perdite. Nei compressori di tipo aeronautico, per questioni di ingombro e peso si cerca di ottenere le massime portate con giranti di piccole dimensioni, raggiungendo velocità di rotazione assai elevate, ma generalmente dimensionate in modo da non superare Mach 0,8.

In un compressore di tipo aeronautico, poi, non è trascurabile la velocità di ingresso nella girante dal momento che la velocità relativa in ingresso alle estremità delle palette può anche raggiungere Mach 1. Questo può essere in parte attenuato installando nella [[presa d'aria]] delle palettature fisse che inducono una rotazione del flusso in ingresso alla girante riducendo la velocità relativa sulle palette della girante. D'altra parte questa soluzione riduce lo scambio energetico teorico del compressore di una quantità pari al prodotto tra la componente assiale (<math>V_i</math>) e la componente tangenziale (<math>V_{t_i}</math>) della velocità in ingresso

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Il ciclo di pompaggio è un fenomeno di instabilità globale (generato al raggiungimento del [[limite di pompaggio]]) che coinvolge sia compressori centrifughi sia compressori assiali. Le oscillazioni (che in genere hanno frequenza di pochi [[hertz]]), causate dalla repentina variazione di portata richiesta dall'utilizzatore, producono variazioni di pressione nel ramo di mandata del circuito con conseguente riflusso verso il compressore.

Lo [[Stallo aerodinamico|stallo rotante]] è un fenomeno di instabilità locale creato per distacco della vena fluida dalla superficie delle palette che si verifica soprattutto al diminuire della portata e costante regime di rotazione della macchina. Questo tipo di instabilità comporta variazioni di portata ridotte a differenza del pompaggio ma causa sollecitazioni periodiche sulle palette che possono generare rotture per fatica. Occorre sottolineare che questo tipo di fenomeno è maggiormente presente nellenei compressori assiali, in quanto i compressori centrifughi hanno un campo centrifugo radiale che impedisce o rende più difficile il distacco della vena fluida dalla paletta.

==Applicazioni==

[[ImmagineFile:Rolls Royce Goblin II numbered cutaway.jpg|thumb|Spaccato di un compressore centrifugo di un [[motore]] [[turbogetto]] ([[de Havilland Goblin]]):

#Compressore per il condizionamento dell'aria in [[abitacolo (aeronautica)|cabina]]

#Compressore per il sistema pneumatico (carrelli ed organi ausiliari)

#[[Presa d'aria|Prese d'aria]] (fornita dalle prese d'aria alla radice alare)

#Aggancio del motorino d'avviamento (non montato)

#Tubicini di alimentazione degli iniettori all'interno della camera di combustione

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#Compressore centrifugo

]]

Questi compressori sono principalmente utilizzati in piccoli [[motore aeronautico|motori aeronautici]], o nell'[[industria automobilistica]] e nell'industria motociclistica (Kawasaki H2) come parte del sistema di sovralimentazione.

Sono molto usati nelle applicazioni di processo e per applicazioni in cui si voglia evitare ogni contaminazione del gas pompato con fluidi o solidi - non richiede infatti lubrificazione lato gas, in quanto gli alberi sono a sbalzo, come delnella resto[[Pompa nelle pompe centrifughe -centrifuga]], consentono buoni rapporti di compressione per stadio (fino a 10:1 per i compressori radiali) e solitamente non minori di 1,5.

I ''compressori centrifughi'' vengono impiegati:

*per piccoli [[motore a reazione|motori a getto]], dove l'ingombro trasversale incide meno rispetto ai motori più grandi;

*in piccole [[turbinaTurbina a gas (turbomacchina)|turbine a gas]] come ''[[Auxiliary power unit|unità ausiliarie di potenza]]'';

*nei [[turbocompressore|turbocompressori]] dei [[motore a combustione interna|motori a combustione interna]];

*negli [[evaporatore|evaporatori]] a termocompressione per l'innalzamento della pressione del vapore a valori adatti alla condensazione;

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==Vantaggi==

[[ImmagineFile:Cent comp map.PNG|thumb|Grafico del rendimento di un compressore centrifugo, in funzione della compressione e del regime e flusso]]

I vantaggi di un compressore centrifugo sono:

*compattezza assiale;

*attriti meccanici ridotti grazie alla compattezza assiale (che si traduce in una buona [[efficienza meccanica]] <math> \eta _m</math>);

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==Svantaggi==

I punti deboliSvantaggi di un compressore centrifugo invece sono:

*basso rapporto di compressione totale (rispetto ad un [[compressore alternativo]])

*esistenza di una ''velocità minima operativa''; i compressori centrifughi presentano un [[limite inferiore]] nella velocità operativa, al di sotto del quale il funzionamento della macchina non avviene o non è garantito;

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==Bibliografia==

*{{Cita libro|autore=B. Lakshminarayana |titolo=Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery|anno=1996 |url=https://archive.org/details/fluiddynamicshea0000laks |editore=Wiley-Interscience|isbn=0-471-85546-4}}

*{{Cita libro|autore=D. G. Wilson|autore2=T. Korakianitis |titolo=The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines|edizione=2|editore=Prentice Hall|anno=1998|isbn=0-13-312000-7}}

*{{Cita libro|autore=N.A. Cumpsty|titolo=Compressor Aerodynamics|url=https://archive.org/details/compressoraerody0000cump|editore=Krieger Publishing|anno=2004|isbn=1-57524-247-8}}

*{{Cita libro|autore=A. Whitfield|autore2=N. C. Baines|titolo=Design of Radial Turbomachines|editore=Longman Scientific & Technical|anno=1990|isbn=0-470-21667-0}}

*{{Cita libro|autore=H. I. H. Saravanamuttoo|autore2=G. F. C. Rogers|autore3=H. Cohen|titolo=Gas Turbine Theory |url=https://archive.org/details/gasturbinetheory0000sara|edizione=5

|editore=Prentice Hall|anno=2001|isbn=0-13-015847-X}}

*{{Cita libro|autore=David Japikse|autore2=N. C. Baines|titolo=Introduction to Turbomachinery|editore=Oxford University Press|anno=1994|isbn=0-933283-06-7}}

*{{Cita libro|autore=David Japikse|titolo=Centrifugal Compressor Design and Performance|url=https://archive.org/details/centrifugalcompr0000japi|editore=Concepts ETI|anno=1996|isbn=0-933283-03-2}}

*{{Cita libro|autore=David Japikse|autore2=N. C. Baines|titolo=Diffuser Design Technology|editore=Concepts ETI|anno=1998|isbn=0-933283-08-3}}

*{{Cita libro|autore=Arthur J. Wennerstrom|titolo=Design of Highly Loaded Axial-Flow Fans and Compressors|editore=Concepts ETI |anno=2000|isbn=0-933283-11-3}}

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* {{Cita libro|autore=Nicholas C. Baines|titolo=Fundamentals of Turbocharging|editore=Concepts ETI|anno=2005|isbn=0-933283-14-8}}

* {{Cita libro|autore=Ronald C. Pampreen|titolo=Compressor Surge and Stall|editore=Concepts ETI|anno=1993|isbn=0-933283-05-9}}

* {{Cita libro|autore=Ronald H. Aungier|titolo=Centrifugal Compressors A Strategy for Aerodynamic design and Analysis|editore=[[ASME]] Press|anno=2000|isbn=0-7918-0093-8}}

* {{Cita libro|autore=Dixon S.L.|titolo=Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery|url=https://archive.org/details/fluidmechanicsth0000dixo|edizione=Third Edition|editore=Pergamon Press|anno=1978|isbn=0-08-022722-8}}

* {{Cita libro|url=http://books.google.it/books?id=KBwIhGkcT9YC&pg=PA749&dq=#v=onepage&q=&f=false|titolo=Motori endotermici|autore=Dante Giacosa|editore=Hoepli|isbn=88-203-2633-7|cid=Giacosa}}

* {{Cita libro|autore=The Technical Publications Department Rolls-Royce plc|titolo=The Jet Engine|edizione=Fifth Edition|editore=Renault Printing Co Ltd|anno=1996|isbn=0-902121-23-5|cid=Rolls-Royce|lingua=inglese}}

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==Voci correlate==

*[[Turbogetto]]

*[[SovralimentazioneTurbina a gas]]

*[[Impianto d'alimentazione]]

*[[Turbocompressore]]

*[[Turbomacchina]]

*[[ventilatore]]

== Altri progetti ==

{{interprogetto|commons=Category:Centrifugal compressors}}

==Collegamenti esterni==

* {{Collegamenti esterni}}

*{{cita web|http://www.automoto.it/news/motori-sovralimentati-vi-parte-i-centrifughi-a-comando-meccanico.html|Motori sovralimentati (VI parte). I centrifughi a comando meccanico}}

*{{cita web | 1 = http://icaro.de.unifi.it/TCR/sites/default/files/Didattica/Fluido_Delle_Macchine/Turbomacchine_Radiali_COMPRESSORI_TURBINE.pdf | 2 = Turbomacchine Radiali, compressori centrifughi, Turbine Centripete | urlmorto = sì }}

* {{cita web|http://www.cheresources.com/compressor_surging_under_control.shtml|Compressor Surging Under Control}}

* {{cita web|http://web.mit.edu/aeroastro/www/labs/GTL/gtl_about.html|MIT Gas Turbine Laboratory}}

* {{cita web|http://www.aardvark.co.nz/pjet/chrysler.shtml|Storia delle auto a turbina Chrysler}}

* {{cita webYouTube|url=http://it.youtube.com/watch?vid=lExqLYXs5IU|titolo=Animazione che mostra l'esploso del turbocompressore KKK27 ed il suo funzionamento}}

{{Motori aeronautici}}

{{Controllo di autorità}}

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[[Categoria:Compressori]]