Progetto e analisi di pompe rotodinamiche multistadio dal design compatto

This thesis presents the results of the research work completed in the framework of the PhD project titled “Sviluppo di una metodologia di progettazione per pompe centrifughe multistadio mediante modelli di calcolo analitici e numerici”. The latter involved the doctoral school in Industrial Engineering of Padua University and the company Franklin Electric srl. The aim of the study is the development of tools and knowledge to support the industrial development of multistage centrifugal pumps featuring compact design stages and produced by sheet metal forming and welding. The first part of the work deals with numerical modelling of multistage centrifugal pumps. Both turbulence modelling and the physical approach are addressed. A modelling strategy featuring a low computational cost is presented and validated experimentally. The model is integrated with the experimental characterization of the wear ring seals typically used in the type of pumps considered. The capability of the model to evaluate the performance, the efficiency and the axial thrust of compact design stages is presented. In the second part of the work, the numerical model is used to develop design guidelines for the machines under study. In particular, the individual hydraulic characteristics of the annular chamber and return channels are presented firstly. Then, these data are integrated into an analytical model conceived to evaluate the optimal value of the loading factor for compact design stages, under given design constraints. Finally, the information and methods presented in the thesis are casted into a design methodology specifically conceived for compact design stages.

In questo lavoro vengono presentati i risultati della ricerca condotta nell’ambito del progetto “Sviluppo di una metodologia di progettazione per pompe centrifughe multistadio mediante modelli di calcolo analitici e numerici”. Il progetto è stato attivato nel contesto del XXX ciclo di dottorato, a seguito dell’accordo fra la Scuola di dottorato in Ingegneria Industriale dell’Università di Padova e l’azienda Franklin Electric srl di Dueville (VI). L’obiettivo del progetto è lo sviluppo di strumenti e conoscenza a supporto del progetto di stadi dal design compatto per pompe multistadio rotodinamiche, realizzati per stampaggio e saldatura di lamiera. Nella prima parte dello studio viene affrontata la questione della modellazione numerica delle macchine multistadio. In dettaglio, viene prima analizzato il problema della modellazione della turbolenza mediante un modello a due equazioni. A seguire viene descritto e validato sperimentalmente un approccio di modellazione numerica di macchine multistadio concepito per combinare accuratezza e rapidità di calcolo. Viene quindi descritta una tecnica di integrazione fra la modellazione numerica e la caratterizzazione sperimentale delle tenute a rasamento usate nella tipologia di stadi in esame, al fine di completare il modello numerico con la stima delle perdite volumetriche. La capacità del modello numerico di prevedere prestazioni e rendimento dello stadio viene validate sperimentalmente per tre diverse geometrie dello stadio. Inoltre, viene valutata l’accuratezza del calcolo della spinta assiale mediante due diversi approcci di simulazione. Nella seconda parte del lavoro, il modello numerico viene utilizzato per sviluppare delle linee guida per il progetto di stadi compatti per pompe multistadio. Anzitutto, dai risultati numerici vengono ricavate le caratteristiche individuali degli organi che compongono lo stadio (camera anulare e canali di ritorno). Successivamente, queste informazioni vengono integrate in un modello analitico che permette di stimare le prestazioni e il rendimento di uno stadio dal design compatto al variare del loading factor, fissati i vincoli di progetto. Infine, le informazioni ricavate e i modelli sviluppati vengono sintetizzati in un metodo di progetto di stadi dal design compatto.