Un volano non è altro che un pesante dispositivo meccanico attaccato all’albero per immagazzinare l’energia di rotazione in eccesso. Agisce come un serbatoio rotante che immagazzina l’energia, quando è disponibile in abbondanza e la rilascia quando è più necessario, proprio come una batteria. Ha un peso significativo rispetto al gruppo dell’albero motore; e quindi aiuta a mantenere la coppia resistendo alla velocità di rotazione. Sono generalmente installati in sistemi con carico variabile e coppia fluttuante; come nel motore a combustione interna.
A causa del suo peso elevato un volano ha un’inerzia molto alta che lo fa rimanere alla stessa velocità indipendentemente dalle forze opposte. L’energia immagazzinata in questi volani è proporzionale al quadrato della loro velocità di rotazione. Una coppia viene applicata al volano per immagazzinare l’energia di rotazione e quando è necessario, l’energia viene rilasciata dal volano sotto forma di coppia applicata al carico meccanico. Così aumenta la sua velocità di rotazione mentre immagazzina l’energia e si allenta mentre la rilascia.
Si può capire la sua applicazione nella vita quotidiana con un semplice esempio. Ricordate il vostro giocattolo d’infanzia che giocavate a sfregare sul pavimento per correre. Queste macchinine sono semplici esempi di volano in azione; l’energia meccanica è immagazzinata nel loro volano quando vengono sfregate sul pavimento e poi rilasciate una volta liberate. Alcuni altri esempi di volani nella vita quotidiana sono i motori delle automobili, la macchina da cucire e l’estrattore manuale di succo di canna da zucchero.
Cosa sono i volani & I suoi tipi
Un volano esiste fin dagli albori della rivoluzione industriale. Allora era puramente meccanico con una ruota attaccata all’asse; non cambia molto, vero? Al giorno d’oggi i volani sono più di una disposizione complessa seduta su un lato dell’albero; per trasferire energia da e verso il motore / fonte. Non sono più limitati alle macchine semplici e al motore, ma sono usati in molte altre applicazioni. Per esempio nella rete elettrica per la regolazione della frequenza, nelle rotaie per il recupero della potenza di transito e nelle miniere; per immagazzinare l’energia di scarto riducendo il consumo complessivo di carburante.
Il suo funzionamento può essere riassunto e compreso con la seguente equazione fisica: coppia sull’asse di rotazione = I.α . Quando un corpo ruota liberamente su un asse fisso; allora una coppia ‘t’ è richiesta per cambiare il suo moto con un’accelerazione angolare ‘a’. La coppia richiesta è quindi proporzionale alla sua accelerazione angolare; ed è data dal prodotto del suo momento d’inerzia e dell’accelerazione angolare. Discuteremo in dettaglio il suo principio di funzionamento più avanti in questo post.
In base alla sua massa può essere un volano a massa singola o doppia. Una costruzione a massa singola è più economica; smorza moderatamente le vibrazioni del motore e può sopportare una maggiore capacità termica. Sono fatti di acciaio fuso e non hanno nulla tra loro e il gruppo frizione. Un design a massa singola è costruito per i volani con applicazioni multiuso, come l’immagazzinamento di energia, lo smorzamento delle vibrazioni e il recupero di potenza.
D’altra parte una costruzione a doppia massa è fatta appositamente per smorzare le vibrazioni e il rumore. Hanno una molla tra i due volani come ammortizzatore. Entrambi i volani possono muoversi indipendentemente l’uno dall’altro entro un limite fisso. Questi design sono costosi e sono soggetti a danni in condizioni di alta temperatura o di uso improprio.
Perché i volani sono usati nel motore a corrente alternata
Credo che tutti abbiamo capito le basi di come funziona il motore a corrente alternata. Per coloro che non lo sanno, un motore a C.I. (combustione interna) è un tipo di motore termico in cui il carburante viene bruciato all’interno di uno spazio limitato chiamato camera di combustione. Sono generalmente motori rotativi o alternativi con un gruppo di pistoni. L’espansione improvvisa dei gas di scarico dopo la combustione sposta il pistone verso il basso; che a sua volta fa ruotare l’albero motore e infine il veicolo / albero di uscita.
La combustione avviene solo una volta ogni quattro cicli nel motore a quattro tempi; mentre ogni due cicli nel motore a due tempi. Quindi la potenza è disponibile solo per un ciclo; questo non significa che il motore debba funzionare per quell’unico ciclo nel motore a due & quattro tempi. Questo è il momento in cui un volano torna utile perché fornisce senza soluzione di continuità potenza all’albero motore in ogni momento; mantenendo il motore in movimento. Un volano è collegato direttamente all’estremità dell’albero motore; mantenendo la potenza costante e l’orientamento del motore.
Quindi i volani aiutano a garantire l’erogazione di potenza costante nel motore monocilindrico. Ma i motori multicilindrici possono essere regolati per avere un’erogazione di potenza costante; eppure abbiamo ancora i volani in quei motori. Ma perché? Nei motori multicilindrici sono usati per controllare le vibrazioni del motore, bilanciare l’albero a gomiti, assicurare la corretta direzione di marcia e far girare il motore quando necessario. I motori multicilindrici hanno una coppia di uscita uniforme e quindi richiedono volani più piccoli e leggeri; che si aggiungono all’accelerazione del motore.
Principio di funzionamento
Il momento di rotazione di un motore a quattro tempi per diverse posizioni della manovella è positivo solo per la corsa di potenza. Come abbiamo discusso in precedenza, un motore a C.I. produce potenza solo durante la corsa di potenza. Dal diagramma del momento di rotazione possiamo vedere che durante l’aspirazione c’è un momento di rotazione negativo dovuto alla pressione del cilindro inferiore a 1 atmosfera.
Similmente l’energia è presa dall’albero motore e dal volano per fare lavoro sui gas; il che si traduce in un momento di rotazione negativo molto più alto. Poi, durante la corsa di potenza, vediamo un’impennata del momento di rotazione positivo, a causa della pressione dei gas di scarico in esaurimento. Mentre durante la corsa di scarico i gas di scarico vengono rilasciati lavorando sui gas; risultando in un momento di rotazione negativo.
Dal diagramma del momento di rotazione dato; si può vedere chiaramente che la coppia / momento di rotazione generato è molto più della coppia media. Quindi c’è questa coppia extra generata durante la corsa di potenza; che deve essere immagazzinata e poi rilasciata usando i volani. L’energia immagazzinata da un volano con un cerchio molto sottile e una massa “m” può essere data da:-
E = 1 / 2 X I ω2
dove “E” è l’energia cinetica media del volano. “I è il suo momento d’inerzia e ω è la sua velocità angolare. Ora, poiché durante l’aspirazione, la compressione e la corsa di scarico; l’energia viene presa dal volano; e aggiunta durante la corsa di potenza.
Quindi l’energia cinetica del volano per la velocità angolare fluttuante sarà:-
E = Energia cinetica massima – Energia cinetica minima = Lavoro fatto dalla coppia sul volano (prova su Brilliant.com )*
E = 12x I x ( ω )2 – 12x I x ( ω )2
Oppure,
E = 1/2 x I x ( ω1 + ω2 )( ω1 – ω2 )
Ora poiché ( ω1 + ω2 ) / 2 = ω
Perciò,
E =I ω2 ( ω1-ω2 )ω
Ora poiché, ω = 2πN / 60
Pertanto,
E=Ix2πN60x2πN60x2πN160-2πN260x602πN=4π23600xIxNN1-N2=π2900x m.k2 x NN1-N2
dove, K è il raggio di rotazione del volano.
Ora, l’energia immagazzinata nel volano può essere data da:-
E=π2900x m.k2 xN2xCs
dove; Cs è il coefficiente di viscosità per il volano i.e (N1-N2)/N
Come possiamo usare i volani per determinare la direzione di marcia?
Un volano può essere poco utile per determinare la direzione di marcia di un motore. Si può semplicemente dire da che parte sta ruotando il motore, dando un’occhiata ai volani del motore. È così perché un volano non ha una propria direzione di rotazione; ma piuttosto segue la direzione del motore su cui è montato. Se si guarda dall’estremità del volano, se ruota in senso orario, allora il motore è di tipo destro. Allo stesso modo, se il volano ruota in senso antiorario in un motore è di tipo sinistro.
Nel motore pesante a più cilindri, come nelle industrie e nelle navi, questi volani possono anche essere usati per determinare la posizione del pistone nel cilindro. Usando le marcature dei cilindri sul volano si può sapere in quale cilindro il pistone è a T.D.C. Questo può essere usato per determinare l’ordine di accensione di un motore. Se il motore è fermo da molto tempo e deve essere spurgato, questi volani sono molto utili. Per spurgare un motore è necessario ruotare il volano manualmente o attraverso un motore con il rubinetto dell’indicatore aperto.
Anche se un motore può ruotare sia in senso orario che antiorario; ma generalmente la maggior parte dei motori ruota in senso antiorario. Ma non è una regola fissa perché è solo una questione di scelta del progettista di preferire uno piuttosto che l’altro. Quindi bisogna sempre conoscere il corretto senso di marcia di un motore; o attraverso il manuale del motore o ispezionando visivamente il suo volano.
Dubbi comuni sul volano & Le loro risposte
Q.1. Perché i volani solo in ghisa?
Ans: Si potrebbe avere letto in molti manuali o sul web che questo volano è fatto di ghisa o ghisa grigia. Può sorgere il dubbio che tutti i volani siano fatti di ghisa o almeno la maggior parte di essi. Infatti un volano può essere fatto di diversi materiali, a seconda dell’applicazione. I volani molto piccoli, come quelli dei giocattoli, sono fatti principalmente di piombo. I volani medi o piccoli possono essere di ghisa, alluminio o acciaio. Ma i grandi volani sono fatti di ghisa o acciaio ad alta resistenza a seconda delle esigenze del design.
Q.2. Perché i volani hanno i denti?
Ans: Non tutti i volani hanno i denti ma la maggior parte dei volani su auto, moto, generatori pesanti e navi hanno i denti; ma perché? Dal momento che sai che i volani aiutano a mantenere costante la potenza in uscita; ma come otteniamo questa uscita se non avviamo il motore. Se avete avuto o avete una moto dovete sapere come abbiamo bisogno di calciare o auto-avviare per far funzionare il motore. Quello che effettivamente fa è che ruota il volano attraverso un piccolo ingranaggio attaccato ai denti del volano. Nel grande motore diesel come nelle navi dove l’aria compressa è usata per far partire il motore; questi denti del volano sono usati per il carburante ad alta pressione e la pompa dell’olio del servo.
Q.3. Sono simili il volano e il governatore?
Ans: Sia il volano che il governatore sono usati per regolare la velocità del motore, ma in modo diverso. Da un lato il volano regola la velocità di un motore su diverse corse, per mantenere costante la sua velocità media. Ma un regolatore è usato per regolare la velocità media del motore per il carico variabile. Questo si ottiene regolando l’iniezione di carburante per soddisfare l’aumento della domanda di potenza. quando il carico improvviso aumenta, il motore inizia a rallentare. Ora per mantenere costante la velocità del motore; il governatore aumenta il carburante iniettato nel cilindro per generare più coppia e quindi aumentare la sua velocità. Quindi, anche se sia il volano che il regolatore sembrano fare un lavoro simile, in realtà sono diversi.
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