Misurazione della potenza su grandi propulsori con motori a combustione

1. Rilevazione del segnale di potenza

I moderni concetti di propulsione con grandi motori a combustione, richiedono la risposta precisa e veloce dei sistemi di controllo del motore (p. es.  alimentazione del carburante) per reagire alle brusche variazioni di carico. Infatti, è essenziale garantire che venga fornita sufficiente potenza in qualsiasi momento e, che nel contempo, il motore abbia un basso consumo di carburante e sicuri parametri operativi. Ciò richiede che venga fornito un segnale di potenza che - insieme ai sistemi del veicolo, del compressore e della pompa - deve essere generato utilizzando speciali apparati di misura.  In generale, esistono tre metodi diversi:

1. Il segnale di potenza viene rilevato indirettamente misurando specifiche grandezze ausiliarie quali la portata, la temperatura e la pressione, da cui calcolare la potenza. Con questo metodo l'incertezza di misura del segnale di potenza è molto elevata. Un ulteriore inconveniente è che i valori delle grandezze ausiliarie non sono sincroni ai processi che determinano la potenza del motore. 
2. Il segnale di potenza viene rilevato indirettamente misurando specifiche grandezze ausiliarie sull'albero d'ingresso. Ciò comprende tutti i metodi che implichino sia la misurazione della deformazione superficiale risultante dalla torsione dell'albero che l'angolo di torsione dell'albero.  In ambedue i casi, la potenza viene calcolata dopo la misurazione delle grandezze ausiliarie.
3. Il segnale di potenza viene rilevato direttamente misurando la coppia sull'albero di ingresso.

Il seguente articolo confronta il metodo di misurazione diretta della potenza con quello di misurazione indiretta, rispettivamente sul e nel treno di trasmissione (metodi b. et c.), per quanto concerne le incertezze di misura che possono essere ottenute. 

Per ridurre significativamente l'alta incertezza di misura del metodo specificato in b., è necessario tarare fino alla massima coppia prevista la sezione di albero equipaggiata con lo strumento di misura. A tale scopo si deve utilizzare un dispositivo di caricamento per applicare la coppia gradino per gradino alla sezione di albero, fino al valore massimo e misurare i segnali di uscita generati dallo strumento di misura ad ogni gradino di taratura. Con una curva caratteristica approssimativamente lineare ed un sufficiente numero di punti di misura, è possibile ottenere un'incertezza di misura che corrisponda grosso modo a quella della macchina di taratura.

Tuttavia sarà difficile realizzare questo metodo nella pratica. Il trasporto della sezione di albero di una grande trasmissione completa di strumento di misura sulla macchina di taratura e viceversa può risultare molto difficoltoso. Inoltre, la sezione di albero deve essere meccanicamente adattata alla macchina di taratura - un processo complesso che, tuttavia, è indispensabile per l'applicazione del carico.

La soluzione a tale dilemma consiste nel misurare la coppia nel treno di trasmissione invece che su di esso (metodo c.). A tal scopo, si deve prendere in considerazione già durante la fase progettuale, un torsiometro a flangia da montare fra il lato motore ed il lato condotto.

Fig.1: Montaggio di un torsiometro a flangia nel treno di trasmissione. Torsiometro a Flangia HBM con coppia nominale di 2MNm.

Secondo (1), la potenza è data dalle grandezze coppia e velocità di rotazione misurate direttamente.

Il torsiometro a flangia è tarato fino alla sua coppia nominale o parte di essa, come risulta dal suo certificato in dotazione. A seconda del tipo e delle dimensioni della flangia di misura, le incertezze di misura spaziano dallo 0,03% allo 0,1% del campo di misura nominale o di parte di esso. Questa incertezza di misura è già riferita alla coppia e non alle grandezze ausiliarie quali la deformazione o l'angolo di torsione. Essendo già integrata la compensazione termica, i parametri specificati per il torsiometro a flangia sono validi per un ampio campo di temperature.

L'installazione, la sostituzione e la ritaratura di un torsiometro a flangia sono relativamente facili. Inoltre, questo trasduttore offre alcune caratteristiche aggiuntive che - a seconda dell'applicazione - offrono un notevole valore aggiunto:

• Alta risoluzione (16 ... 19 bit) del segnale di coppia per la registrazione di minime variazioni dell'ampiezza
• Larga banda passante (fino a 6 kHz) del segnale dinamico della coppia per registrare processi altamente dinamici del treno di trasmissione (p.es. vibrazioni torsionali) 
• Breve tempo di propagazione del segnale per rapidissime regolazioni nel caso di condizioni variabili del carico 
• Struttura robusta ed alta stabilità del segnale per l'impiego in condizioni ambientali estreme 
• Eccellente ripetibilità e stabilità a lungo termine dei valori per l'impiego su lunghi periodi di tempo senza alcuna azione correttiva 
• Visualizzazione delle curve caratteristiche della coppia per cicli specifici, che consentono il rilevamento dei dati per la Condition Based Maintenance (CBM) (Manutenzione Basata sulla Condizione).