Sviluppo di uno smorzatore di pressione per una pompa a pistoni assiali mediante simulazioni CFD e validazione sperimentale

Variable displacement axial piston pumps represent one of the main components in hydraulic systems for mobile and industrial applications, thanks to their capability to operate at high pressures with high efficiency and operational flexibility. However, their operation is characterized by complex fluid dynamic phenomena, including pressure pulsations at the outlet, commonly referred to as pressure ripple. These oscillations represent one of the main sources of vibrations and noise in hydraulic systems and may negatively affect the performance and durability of the circuit components. This thesis work, carried out at Walvoil S.p.A., aims at the fluid dynamic analysis of a variable displacement axial piston pump, model PWLS72, with particular focus on the investigation of outlet pressure ripple and on the evaluation of possible design solutions aimed at its reduction. The activity was developed through an integrated approach combining CFD numerical simulations and experimental tests on a test bench. In the first part of the thesis, the pump under investigation and the main physical phenomena governing the operation of axial piston pumps are described. Subsequently, the numerical model developed using the Simerics MP+ software is presented. The CFD model, built starting from the fluid volume extracted from the pump CAD model, allowed the analysis of fundamental quantities such as pressure inside the pumping chambers, outlet pressure, volumetric flow rate and cavitation phenomena. To ensure the reliability of the simulations, the numerical results were compared with experimental data acquired on a dedicated test bench using high-frequency pressure sensors and appropriate data acquisition systems under different operating conditions in terms of rotational speed and outlet pressure. The comparison between simulations and measurements showed a good qualitative agreement in the pressure ripple trend, allowing the validation of the developed numerical model. Once validated, the CFD model was used to investigate several design modifications introduced in the valve plate and in the pump cover with the aim of reducing the pressure oscillations generated during the switching phase between suction and delivery. In particular, three configurations characterized by the introduction of a pre-compression volume with different connection modes to the delivery port were studied: a closed volume (Design 1), a volume connected to the delivery port through a restriction (Design 2), and a volume connected to the delivery port with an opening positioned closer to the delivery port window (Design 3). The three configurations were manufactured and experimentally tested using the same measurement setup adopted for the original pump, ensuring direct comparability of the results. The experimental analysis showed that Design 3 represents the most effective configuration in reducing outlet pressure pulsations, with a decrease in ripple amplitude of about 10 bar compared to the original configuration under the analyzed operating conditions. These results confirm the effectiveness of the integrated approach based on CFD simulations and experimental validation for the study and optimization of the fluid dynamic performance of axial piston pumps. The proposed design solution allows the pressure oscillations to be damped, potentially contributing to the reduction of vibrations and noise in the hydraulic system. As a possible future development, acoustic characterization of the two pump configurations, original and optimized, is planned through tests in a semi-anechoic chamber, in order to directly evaluate the impact of pressure ripple reduction on the acoustic emissions of the machine.

Le pompe a pistoni assiali a cilindrata variabile rappresentano uno dei componenti principali nei sistemi oleodinamici per applicazioni mobili e industriali, grazie alla loro capacità di operare ad alte pressioni con elevata efficienza e flessibilità operativa. Tuttavia, il loro funzionamento è caratterizzato da fenomeni fluidodinamici complessi, tra cui le pulsazioni di pressione in mandata, comunemente indicate come pressure ripple. Tali oscillazioni costituiscono una delle principali sorgenti di vibrazioni e rumorosità nei sistemi idraulici e possono influenzare negativamente le prestazioni e la durata dei componenti del circuito. Il presente lavoro di tesi, svolto presso Walvoil S.p.A., ha come obiettivo l’analisi fluidodinamica di una pompa a pistoni assiali a cilindrata variabile, modello PWLS72, con particolare attenzione allo studio del ripple di pressione in mandata e alla valutazione di soluzioni progettuali finalizzate alla sua riduzione. L’attività è stata sviluppata attraverso un approccio integrato che combina simulazioni numeriche CFD e prove sperimentali su banco. Nella prima parte della tesi viene presentata la descrizione della pompa e dei principali fenomeni fisici che ne caratterizzano il funzionamento. Successivamente viene illustrato il modello numerico sviluppato mediante il software Simerics MP+, utilizzato per simulare il comportamento del fluido all’interno della macchina. Il modello CFD, costruito a partire dal volume fluido estratto dal modello CAD della pompa, ha permesso di analizzare grandezze quali la pressione nelle camere pompanti, la pressione di mandata, la portata volumetrica e i fenomeni di cavitazione. Per garantire l’affidabilità delle simulazioni, i risultati numerici sono stati confrontati con dati sperimentali acquisiti su banco prova mediante sensori di pressione ad alta frequenza e sistemi di acquisizione dedicati, in diverse condizioni operative di velocità di rotazione e pressione di mandata. Il confronto tra simulazioni e misure ha mostrato una buona corrispondenza qualitativa dell’andamento del ripple di pressione, consentendo di validare il modello sviluppato. Una volta validato il modello CFD, esso è stato utilizzato per analizzare alcune modifiche progettuali introdotte nella piastra di distribuzione e nel coperchio della pompa con l’obiettivo di ridurre le oscillazioni di pressione generate durante la commutazione tra aspirazione e mandata. Sono state studiate tre configurazioni caratterizzate dall’introduzione di un volumetto di precompressione con differenti modalità di collegamento alla mandata: volumetto chiuso (Design 1), volumetto collegato alla mandata tramite una strozzatura (Design 2) e volumetto collegato alla mandata con apertura anticipata rispetto alla luce di mandata (Design 3). Le tre configurazioni sono state realizzate e testate sperimentalmente utilizzando la stessa configurazione di misura adottata per la pompa originale. I risultati hanno evidenziato come la soluzione Design 3 sia la più efficace nel ridurre le pulsazioni di pressione in mandata, con una diminuzione dell’ampiezza del ripple di circa 10 bar rispetto alla configurazione originale nelle condizioni operative analizzate. I risultati confermano l’efficacia dell’approccio integrato basato su simulazioni CFD e validazione sperimentale nello studio e nell’ottimizzazione delle prestazioni fluidodinamiche delle pompe a pistoni assiali. La soluzione progettuale proposta consente di smorzare le oscillazioni di pressione contribuendo alla riduzione delle vibrazioni e della rumorosità del sistema. Come sviluppo futuro è prevista la caratterizzazione acustica delle due configurazioni di pompa, originale e ottimizzata, mediante prove in camera semianecoica, al fine di valutare l’impatto della riduzione del ripple di pressione sulle emissioni acustiche della macchina.