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 prevedevano l'impiego di ventilatori centrifughi 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 dell'invenzione della girante.

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|anno=1915|editore=McGraw-Hill Book Company, Inc|lingua=inglese}}</ref><ref name = gracey>{{Cita libro|autore=Michael T. Gracey|titolo=High-Pressure Pumps|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/>

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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 statica. 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>

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===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 maggiore 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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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 nelle 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)

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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 [[Turbina 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;

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== Altri progetti ==

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==Collegamenti esterni==