Il gruppo generatore più diffuso negli impianti oleodinamici industriali resta il più semplice: pompa a cilindrata fissa, motore elettrico, valvola limitatrice di pressione. Funziona bene finché il carico è costante — ma quasi nessun ciclo di lavoro reale lo è. L’attuatore chiede portata a intermittenza, e per tutto il resto del tempo la potenza generata dalla pompa viene scaricata dalla valvola sotto forma di calore.

Sostituire la pompa con una a cilindrata variabile risolverebbe il problema alla radice, ma non è sempre percorribile: costi, sensibilità alla contaminazione del fluido, tempi di risposta meno pronti. In un progetto di ricerca condotto con il Laboratorio di Idraulica del Veicolo dell’Università di Modena e Reggio Emilia ed Elt Fluid, presentato al PhD Symposium 2022 della Global Fluid Power Society, abbiamo esplorato un’alternativa: recuperare quell’energia senza toccare la pompa esistente, chiudendo il sistema in un circuito con una turbina Pelton in miniatura al posto di un motore idraulico — che, lavorando a intermittenza e spesso senza portata sufficiente a lubrificare i propri giochi interni, tenderebbe a scaldare e usurarsi.

Una macchina fuori dal suo campo naturale. Le turbine Pelton nascono per le centrali idroelettriche di montagna: teste alte, portate contenute. Il nostro circuito è quasi l’opposto — pressione altissima, getto minuscolo. Il numero caratteristico calcolato per il sistema è risultato circa 0,01, ai margini estremi anche del campo tipico delle Pelton (0,05–0,4), tanto da escludere il collegamento diretto all’albero pompa-motore previsto inizialmente: serve un riduttore. Per dimensionare la turbina abbiamo messo alla prova due metodi di progettazione in parallelo, ottenendo due geometrie con compromessi diversi tra attriti, ventilazione e velocità di rotazione — il secondo ci ha permesso di allontanarci dal coefficiente di velocità periferica ideale (0,5) fino a un valore più realistico di 0,42, contenendo la velocità di rotazione e limitando a 20 il numero di pale per ragioni costruttive.

Un accumulatore per regolarizzare il getto. La portata scaricata dalla valvola limitatrice arriva a scatti, seguendo i vuoti del ciclo di lavoro. Un accumulatore posizionato a monte della valvola ON/OFF che fa da ugello risolve il problema: si riempie quando la pressione sale, si scarica verso la turbina al raggiungimento della soglia massima, si richiude alla soglia minima — trasformando un flusso caotico in iniezioni regolari.

I risultati della simulazione. Il sistema completo è stato modellato a parametri concentrati in OpenModelica, con la libreria dinamica di SmartFluidPower. Su un ciclo di 40 secondi, del totale disperso dalla valvola il 23% si perde comunque lungo la trasmissione, lasciando un 24% di potenziale recuperabile; il recupero netto stimato è circa l’11%, dipendente dal ciclo di lavoro specifico. L’efficienza complessiva del sistema sale dal 53% senza turbina al 64% con la turbina installata.

Restano due criticità aperte: l’erosione del tagliente delle pale per effetto del getto, che anche a pochi decimi di millimetro può alterare sensibilmente l’efficienza, e l’aria che si mescola all’olio nel passaggio in turbina, che richiede un adeguato tempo di sedimentazione nel serbatoio. Le due turbine progettate sono state prototipate e verranno testate da Elt Fluid sul banco prova di riferimento: il confronto tra dati sperimentali e stime del modello sarà il prossimo passo del lavoro.

Il paper completo, “System for recovering energy in hydraulic circuit by using a small Pelton turbine” (M. Rizzoli, G. Cillo, B. Zardin, D. Manfredi, M. Borghi — GFPS2022 PhD Symposium), è disponibile gratuitamente a questo link.