Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 88
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
Acustica

Analisi dell’emissione acustica di una pompa olio a palette mediante metodo numerico e sperimentale

Sara Gronch, Fabio Guglielmo, Emanuela Ligarò, Raffaele Squarcini

Un esempio di metodo combinato in cui tecniche sperimentali sono affiancate a simulazioni numeriche.

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Pompa variabile a palette e genesi del rumore

Una pompa variabile a palette è una pompa volumetrica in cui la variazione dei volumi è realizzata tramite la presenza di palette che possono slittare radialmente rispetto al rotore, secondo quanto permesso dall’eccentricità istantanea. L’eccentricità è definita come la distanza tra l’asse del rotore, che rimane fisso, e l’asse dell’anello di controllo che può slittare sotto l’azione di un sistema di regolazione.

Figura 1 – Pompa variabile a palette

Il contributo fluidodinamico al problema del rumore in una pompa a palette è senza dubbio prevalente rispetto al contributo meccanico. Il fluido lubrificante che attraversa la pompa è composto in maggioranza di olio ma una parte significativa di aria può essere presente in forma di bolle più o meno grandi disperse nel volume d’olio. La presenza di aria intrappolata nel fluido lubrificante è chiamata aerazione, ed è da considerarsi l’attore principale nella generazione del rumore.

Per comprendere i fenomeni che si generano all’interno della pompa può essere utile seguire la descrizione di quello che accade al volume di una camera in una sua rivoluzione completa.

Il volume di una camera che si trova in zona aspirazione è in maggior parte riempito di olio e di un certo ammontare di aria sotto forma di bolle. Alla connessione con la zona di mandata, il volume incontra una regione di alta pressione che porta ad una brusca compressione dell’aria. In questo momento, l’aria inizialmente presente in bolle è convertita in gruppi di molecole disperse in olio e viene generato un picco di pressione, responsabile dell’emissione di rumore. L’onda di pressione che viene creata, si propaga eccitando la struttura del corpo pompa. Il processo appena descritto accade ogni volta che una camera si affaccia alla zona di mandata, dando così origine complessivamente ad un processo pulsato che in un giro completo avviene un numero di volte pari al numero di palette della pompa.

Figura 2 – Spettro acustico della pompa in rampa

D’altro canto, la zona aspirazione non è esente da problematiche di rumore ed è anch’essa caratterizzata da fenomeni di una certa importanza. Con il procedere della rotazione, la camera che lascia la zona di mandata espande il suo volume abbassando progressivamente la pressione. L’aria dispersa è nuovamente convertita in bolle di volume via via crescente. Nel caso in cui la pressione scenda sotto un certo valore limite chiamato high vapour pressure, l’olio stesso inizia a trasformarsi in vapore. Questo fenomeno è conosciuto con il nome di cavitazione, la sua eredità più critica la si ritroverà in zona mandata in cui la presenza di vapore d’olio andrà inevitabilmente incontro ad una violenta compressione. La cavitazione ha un indesiderato effetto acustico ma soprattutto porta alla riduzione della portata d’olio ed a danni fisici riscontrabili sul corpo pompa. Altre cause di rumore possono essere trovate in compressioni indesiderate di olio nella zona di mandata, quando le bolle d’aria non sono presenti a sostenere la richiesta di diminuzione di volume. Un caso del genere può essere risolto tramite una modifica del design delle luci della pompa.

 

Vane Passing Frequency

La frequenza fondamentale del rumore generato da una pompa a palette è chiamata Vane Passing Frequency (VPF), e tiene conto del fatto che per ogni rivoluzione completa del rotore, il fenomeno della generazione del picco di pressione accade un numero di volte pari al numero delle palette.

Data la velocità di rotazione n [rpm], la frequenza di rotazione del rotore fp [Hz] è pari a:

quindi la Vane Passing Frequency (VPF) è definita come segue:

 

VPF= fp x k

                 [Hz]

dove k è il numero delle palette.

 

Obiettivo dell’attività

L’attività presentata in questo articolo è consistita nello svolgimento di un semplice esercizio con l’intento di testare la nostra capacità di:

  • modificare intenzionalmente l’emissione acustica della pompa, verificando sperimentalmente che la modifica ottenuta risulti nella direzione attesa;
  • riprodurre virtualmente l’effetto della modifica tramite modello numerico.

Ad oggi, in PPT è stato sviluppato un consistente numero di accorgimenti che permettono di modificare il contributo fluidodinamico in termini di miglioramento dell’emissione acustica risultante. 

Figura 3 (sopra) – Pompa prima della modifica (a sinistra) e dopo la modifica (a destra)

Nel presente lavoro, si intende invece individuare e proporre una modifica di tipo strutturale che abbia un effetto significativo e ben visibile nello spettro acustico.

Il sistema fisico viene poi riprodotto con un modello virtuale che tiene conto del contributo fluidodinamico tramite analisi CFD (Computational Fluid Dynamic) e del contributo della struttura tramite analisi modale calcolata.

Il risultato auspicato in questa attività è quello di riuscire ad ottenere per via sperimentale e per via virtuale, lo stesso trend di emissione acustica prima e dopo l’introduzione della modifica strutturale.

 

Individuazione di un possibile intervento strutturale

Lo spettro acustico di una pompa variabile a palette acquisito in rampa mostra il caratteristico pattern a ventaglio corrispondente alla presenza della VPF e delle sue armoniche.

Figura 3 (sopra) – Pompa prima della modifica (a sinistra) e dopo la modifica (a destra)

Da una prima acquisizione microfonica esplorativa della pompa durante una rampa in salita e discesa (0 rpm ÷ 6000 rpm) è stato possibile individuare la presenza di una risonanza strutturale piuttosto evidente a circa 2220Hz, visibile in figura 2 come linea rossa orizzontale.

È verosimile pensare che agire su tale risonanza possa portare un significativo effetto sullo spettro acustico, per questo motivo si è deciso di procedere eseguendo un intervento strutturale atto ad eliminarla.

La pompa in questione ha una paratia girocinghia a forma di “U” che assiste il passaggio della cinghia di distribuzione, (Fig. 3). La risonanza individuata è verosimilmente generata dalla vibrazione dell’aletta destra di tale paratia, che costituisce la parte più libera di vibrare del corpo pompa. La rimozione di tale parte assicurerebbe l’eliminazione della risonanza in questione. Da questo momento in poi, saranno presentati i risultati di varie analisi per i due casi della pompa prima della modifica e dopo la modifica.

 

Figura 5 – Griglia per la misure intensimetrica

 

Sperimentazione

Analisi modale sperimentale

L’analisi modale sperimentale ha confermato l’intuizione sull’attribuzione della risonanza all’aletta destra della paratia: la rimozione di questa ha garantito l’eliminazione della risonanza. 

È interessante notare come la frequenza di risonanza subisca un aumento di circa 45Hz nel passaggio tra acquisizioni su pompa in funzionamento e analisi modale. Tale shift in frequenza è attribuibile alla presenza della massa d’olio nel caso di pompa in funzionamento, che risulta invece evidentemente vuota durante l’analisi modale. La diminuzione di massa, dovuta all’assenza del fluido aumenta la frequenza di risonanza.

 

Analisi intensimetrica

L’analisi intensimetrica è condotta su una superficie parallela al piano frontale della pompa, posta a 10cm e di dimensioni 21cm × 21cm, suddivisa in 121 quadrati, (Fig. 5).

La temperatura dell’olio è pari a 120°C e la velocità di rotazione della pompa è impostata a 3000rpm (VPF = 450Hz). La misura intensimetrica mostra una diminuzione di circa 4dB (RMS) della potenza sonora nel range di frequenze su cui la modifica agisce, (Fig. 7). 

Figura 6 – Potenza sonora ottenuta tramite intensimetria

Figura 7 – Zoom dello spettro nel range di frequenze di interesse

 

Calcolo

La time history di oscillazioni di pressione idraulica è fornita dall’analisi CFD avendo impostato le medesime condizioni di test usate nell’attività sperimentale. La stessa analisi CFD è utilizzata per le due configurazioni della pompa, prima e dopo la modifica.

Tali configurazioni sono riprodotte nel modello FEM e sono state create le corrispettive mesh acustiche sulle quali il software di simulazione acustica, Virtual Lab LSM, può calcolare la soluzione, (Fig. 8).

Figura 8 – CFD e mesh strutturali e acustiche, prima (a sinistra) e dopo (a destra) la modifica.

 

Il trend, prima e dopo modifica, che si ottiene a calcolo è in linea con quanto visto sperimentalmente: la potenza sonora è minore per il caso in cui l’aletta destra è rimossa, (Fig. 9).

Figura 9 – Potenza sonora ottenuta tramite simulazione acustica.

 

Conclusioni

Nel presente articolo è stata descritta un’attività svolta in PPT in merito alla trattazione acustica del prodotto pompa variabile a palette. Lo studio aveva come obiettivo quello di testare la nostra capacità di modificare intenzionalmente l’emissione acustica della pompa mediante un intervento strutturale. Le verifiche sperimentali hanno confermato che lo spettro acustico è stato cambiato nella direzione attesa. Parallelamente, è stato riprodotto il test tramite simulazione acustica. Il modello virtuale ha mostrato lo stesso trend di diminuzione della potenza sonora, prima e dopo la modifica strutturale introdotta.

 

Bibliografia

 

Frendo F., Novi N., Squarcini R., Dynamic and kinematic evaluation of automotive variable displacement vane pumps for reliability characterization, SAE paper 09PFL-1221, 2009

Bianchi G.M., Brusiani F., Costa M., Gasperini M., Squarcini R., Analysis of Air/Cavitation Interaction Inside a Rotary Vane Pump for Application on Heavy Duty Engine, SAE paper 2009-01-1943

Mario Triches Junior, Julio Apolinario Cordioli, Samir N.Y. Gerges, Pulice A., Analysis of Moan and Whine Noise Generated by Hydraulic Pumps of Power Steering Systems, SAE paper 2003-01-3581

Eishin Noguchi, Kiyokazu Nagata, Evaluation Method for the Noise of Hydraulic Power-Steeing System, Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress

 

Gli autori

Raffaele Squarcini 

Manager Reparto Simulazione & Testing, Ingegnere Nucleare e Dottore di ricerca Ingegneria Meccanica

 

Fabio Guglielmo 

Testing Engineer, Ingegnere Meccanico 

 

Sara Gronchi 

Calculation / Simulation Engineer, Ingegnere Aeronautico

 

Emanuela Ligarò 

Testing Engineer, Laurea in Fisica

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