Progettare con i giunti idrodinamici e i vantaggi che possono apportare

CMYK baseIl giunto idrodinamico non e’ altro che una trasmissione idrocinetica. Infatti le due giranti si comportano esattamente come una pompa centrifuga e una turbina idraulica. Quando alla pompa del giunto viene fornita una forza motrice (generalmente elettrica o Diesel) una certa energia cinetica viene impressa all’olio contenuto nel giunto, che, per forza centrifuga si muove verso l’esterno del circuito, attraversando con andamento centripeto la turbina. Questa assorbe così l’energia cinetica generando una coppia, pari sempre a quella di entrata, che tende a far girare l’albero di uscita.

Non essendoci alcun collegamento meccanico tra le due giranti, non vi è praticamente usura. Il rendimento è influenzato solamente dalla differenza di velocità (scorrimento) tra pompa e turbina. Lo scorrimento è essenziale agli effetti del funzionamento del giunto: non ci sarebbe trasmissione di coppia senza scorrimento! La formula che lo esprime, e che indica anche la perdita di potenza del giunto, è la seguente:

In condizioni di carico normale, lo scorrimento può variare dall’1,5% (grosse potenze) al 6% (piccole potenze).

I giunti seguono le leggi di tutte le macchine centrifughe:

  • La coppia trasmessa e’ proporzionale al quadrato della velocità
  • La potenza trasmessa e’ proporzionale al cubo della velocità in entrata e alla quinta potenza del diametro esterno della girante

 

Giunto idrodinamico accoppiato a motore elettrico

I motori asincroni trifase (con rotore a gabbia di scoiattolo) forniscono la coppia massima vicino alla velocità di regime. Il sistema diretto di avviamento è il più usato. La figura 1 illustra il rapporto tra coppia e corrente. Come si può notare la corrente assorbita è proporzionale alla coppia solo tra l’85% e 100% della velocità di regime.

Con un motore accoppiato direttamente al carico, gli svantaggi sono:

  • la differenza tra coppia disponibile e quella richiesta dal carico è molto bassa finché il rotore ha accelerato tra 80 – 85% della velocità di regime.
  • la corrente assorbita in avviamento è fino a 6 volte quella nominale causando un aumento della temperatura del motore, sovraccarichi sulle linee elettriche e, nel caso di avviamenti frequenti, aumento dei costi di produzione.
  • sovradimensionamento dei motori a causa delle limitazioni sopra citate.
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diagramma del comportamento di un motore elettrico asincrono

 

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diagramma di accoppiamento di un motore elettrico asincrono con e senza giunto idrodinamico

 

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diagramma di accoppiamento di un motore asincrono con giunto idrodinamico

Allo scopo di limitare l’assorbimento di corrente del motore durante la fase di avviamento del carico, l’avviamento stella–triangolo (λΔ) è usato frequentemente riducendo la corrente assorbita a circa 1/3 durante l’avviamento. Sfortunatamente con questo sistema la coppia disponibile, durante la fase di commutazione, è ridotta a 1/3 e questo è un problema per le macchine con grandi inerzie da accelerare, poiché è ancora necessario sovradimensionare il motore elettrico. Inoltre questo tipo di avviamento non elimina le punte di corrente originate che rimangono molto elevate nella fase di commutazione.

L’utilizzo di un giunto idrodinamico permette al motore di partire praticamente senza carico. La figura 2 paragona l’assorbimento di corrente con un carico direttamente collegato al motore elettrico e con un giunto idrodinamico installato tra motore e carico. L’area colorata mostra l’energia persa in calore durante un avviamento senza il giunto idrodinamico. L’uso di un giunto idrodinamico riduce i picchi di corrente assorbiti dal motore entro limiti accettabili. La coppia disponibile per accelerare il carico è maggiore di quella di un sistema che non include un giunto idrodinamico. Questo non riduce solo gli sprechi di corrente, ma allunga anche la vita del motore elettrico.

La figura 3 illustra due curve di avviamento di un giunto idrodinamico e la curva caratteristica di un motore elettrico. Dalla curva di stallo del giunto (scorrimento = 100%) e dalla curva di coppia del motore si evidenzia quanta coppia sia necessaria per accelerare il rotore del motore (area colorata). In un secondo circa, il rotore del motore accelera passando dal punto A al punto B. L’accelerazione del carico è comunque fatta gradualmente per mezzo del giunto idrodinamico, utilizzando il motore in condizioni ottimali, seguendo la parte della curva tra il punto B (100%) e il punto C (2%÷5%). Il punto C è il tipico punto operativo in condizioni di normale utilizzo.

 

I VANTAGGI APPORTATI DALL’UTILIZZO DI UN GIUNTO IDRODINAMICO

– avviamenti molto graduali

– riduzione degli assorbimenti di corrente durante la fase di avviamento: il motore parte a basso carico

– protezione del motore e della macchina condotta da blocchi e sovraccarichi

– utilizzo di motori asincroni a gabbia di scoiattolo, invece di motori speciali con dispositivi di avviamento.

– maggior durata ed economia di funzionamento dell’intera catena cinematica, grazie al ruolo di protezione esplicato dal giunto idrodinamico

– contenimento dei consumi energetici, grazie alla riduzione delle punte di corrente

– coppia d’avviamento limitata

– stessa coppia sia in ingresso sia in uscita: il motore può erogare la massima coppia anche a carico bloccato

– assorbimento delle vibrazioni torsionali grazie alla presenza di fluido come elemento di trasmissione di potenza

– possibilità di effettuare un elevato numero di avviamenti, anche con inversione del senso di rotazione del moto

– bilanciamento del carico in caso di doppia motorizzazione: i giunti idrodinamici adeguano automaticamente le velocità del carico alla velocità di sincronismo