I sistemi oleodinamici sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali e mobili a causa degli evidenti vantaggi nella trasmissione di potenza, ma presentano anche alcune criticità: una delle più importanti al giorno d’oggi è la bassa efficienza. Sono state introdotte diverse soluzioni per risolverle, come l’installazione di apparecchiature elettriche o il recupero/rigenerazione dell’energia altrimenti dissipata.

Come accade frequentemente, un singolo gruppo generatore di potenza fluida, costituito da una pompa a cilindrata fissa azionata da un motore elettrico e da una valvola limitatrice di pressione, viene utilizzato per molteplici scopi e, quindi, non è ottimizzato per un’applicazione specifica. Il consumo di energia dal lato attuatore è discontinuo e crea un elevato spreco di energia attraverso la valvola limitatrice.

Esistono già diverse possibili alternative più efficienti per questo semplice sistema e più adatte al ciclo di lavoro, ad esempio pompe a cilindrata variabile con diversi controlli di cilindrata. Tuttavia, a causa di diversi motivi che non rendono conveniente sostituire la pompa a cilindrata fissa (costi, tempi di risposta, ecc.), in questo caso l’idea è quella di migliorare il sistema esistente.

In un articolo scientifico presentato al PHD Symposium della GFPS (Global Fluid Power Society) nell’ottobre 2022, abbiamo studiato la possibilità di ritrasformare in energia meccanica quella frazione di energia idraulica che verrebbe dispersa dal sistema attraverso la valvola limitatrice di pressione. In questo modo possiamo generare un circuito chiuso per la trasformazione della potenza che aiuta a diminuire l’assorbimento alla fonte.

A causa del ciclo di lavoro discontinuo e della configurazione atipica, si è deciso di esplorare la possibilità di utilizzare una turbina Pelton invece di utilizzare un motore idraulico per recuperare l’energia. Il design della turbina Pelton viene sviluppato attraverso due diversi metodi di progettazione standard: l’obiettivo è di ottenere la migliore efficienza possibile attraverso un opportuno dimensionamento.

La turbina Pelton è accoppiata all’albero pompa-motore tramite un riduttore (il collegamento diretto all’albero pompa è stato escluso a causa dei parametri di progetto) ed il fluido inviato alla turbina viene prima raccolto in un accumulatore con una pressione di precarica definita per ridurre le irregolarità nella portata e nella pressione. Un’opportuna logica di controllo decide l’apertura della valvola ON/OFF che funziona da ugello ed è posizionata di fronte alla girante della turbina.

Dopo la progettazione del sistema, utilizzando il software OpenModelica e la libreria dinamica di SmartFluidPower, abbiamo creato un modello a parametri concentrati dell’intero sistema per validare il sistema quando si lavora nelle condizioni operative reali. Questo modello è molto utile per simulare innanzitutto la funzionalità del circuito idraulico e, in particolare, la logica di controllo dell’accumulatore. Il secondo scopo è di analizzare sia il rendimento durante il ciclo di funzionamento, sia la complessa dinamica del sistema: infatti in un minuto di funzionamento vengono effettuate diverse iniezioni da parte dell’accumulatore che si apre verso la turbina al raggiungimento del valore massimo di pressione. Durante le iniezioni la turbina fornisce potenza per azionare la pompa mentre nel restante tempo funge da dissipatore a causa degli attriti e della resistenza con l’aria. Impostando una serie di simulazioni siamo in grado di ottimizzare i parametri del sistema per soddisfare tutti i requisiti e mantenere le massime prestazioni.

La simulazione del modello mostra che, nonostante l’entità delle perdite e della resistenza dovute all’elevata velocità di rotazione della turbina, il recupero energetico è possibile. Un problema importante in questo caso può essere l’erosione del bordo della paletta dovuta all’azione del getto, poiché anche una modifica di pochi decimi di millimetro può essere critica per l’interfaccia tra paletta e fluido. Le due turbine sono state prototipate e verranno testate nel prossimo futuro da ELT FLUID sul banco prova preso come riferimento per l’analisi e, successivamente, i risultati sperimentali saranno confrontati con le simulazioni.