Tipi di giranti per pompe: una guida completa alla progettazione, alla scelta e alla produzione

La girante è il cuore di una pompa centrifuga: è il componente rotante che converte l’energia meccanica del motore in energia cinetica del fluido. Scegliere un tipo di girante non adeguato non solo riduce l’efficienza, ma può anche causare intasamenti ricorrenti, usura prematura, danni da cavitazione e fermi macchina imprevisti che comportano costi di gran lunga superiori a quelli della pompa stessa.

La maggior parte delle guide si limita a distinguere tra “aperto” e “chiuso”. Ciò che tralasciano è il legame tra il design della girante e il modo in cui viene realizzata — ed è proprio da quel legame che dipende l’efficienza effettiva. Il processo di fusione alla base di una girante determina direttamente le prestazioni che si ottengono sul campo.

I tre principali tipi di girante: aperta, semi-aperta e chiusa

La variabile più importante nella scelta della girante è semplice: Cosa c'è nel tuo liquido? La presenza o l'assenza di rivestimenti — le pareti a forma di disco che racchiudono le pale — determina la capacità di una girante di gestire i solidi rispetto all'efficienza con cui movimenta il liquido pulito. Ogni progetto di girante rappresenta un compromesso all'interno di questo spettro.

Ecco una panoramica della situazione:

Girante aperta — Massima capacità di trattamento dei solidi a scapito dell'efficienza

Una girante aperta è costituita da pale fissate direttamente a un mozzo centrale, senza deflettori su entrambi i lati. Poiché le pale sono completamente esposte, i solidi passano senza ostacoli: ciò rende questo modello la scelta ideale quando la resistenza all’intasamento è un requisito imprescindibile.

Il compromesso riguarda l’efficienza. Senza deflettori che limitino il percorso del flusso, il fluido rifluisce tra le estremità delle pale e l’involucro, causando uno spreco di energia. Le giranti aperte funzionano in genere con un'efficienza compresa tra il 50 e il 60%. Richiedono inoltre un'altezza di aspirazione positiva netta (NPSH) più elevata, poiché l'occhio non protetto crea maggiore turbolenza all'ingresso.

I loro punti di forza: drenaggio delle miniere, dragaggio, acque reflue non trattate, pasta di cellulosa e qualsiasi applicazione in cui il fluido contenga solidi di grandi dimensioni o particelle abrasive. La manutenzione è semplice: la girante può essere ispezionata e pulita senza smontare il corpo pompa, mentre lo spessoramento assiale consente di compensare l’usura nel tempo.

Una nota pratica sulla gestione dell’usura: le giranti aperte impiegate in servizi abrasivi sono spesso realizzate in ghisa bianca ad alto tenore di cromo (HRC 55–65) oppure dotate di rivestimenti in gomma sostituibili. Il gioco tra le estremità delle pale e la voluta del corpo pompa — tipicamente compreso tra 0,3 e 0,8 mm — è la dimensione critica. Quando l’usura allarga questo gioco oltre circa 1,5 mm, l’efficienza cala drasticamente e la girante deve essere rispessorata o sostituita.

Girante semi-aperta — Il compromesso ideale

La girante semi-aperta fissa le pale a un unico deflettore posteriore, lasciando scoperta la faccia anteriore. Questo design ibrido trae la propria resistenza strutturale dal deflettore posteriore, pur mantenendo una certa capacità di gestione dei solidi sul lato aperto.

L'efficienza varia tra 50% e 70%, collocandosi esattamente a metà strada tra i modelli a struttura aperta e quelli a struttura chiusa. Una caratteristica tecnica fondamentale è il palette di pompaggio sulla copertura posteriore — piccole nervature radiali che riducono la pressione sul premistoppa e impediscono ai solidi di accumularsi dietro la girante. Queste consentono inoltre una regolazione assiale per mantenere il gioco anteriore critico (in genere 0,3–0,5 mm durante il funzionamento).

Le giranti semi-aperte sono la scelta giusta per i fluidi di processo che trasportano piccole quantità di solidi in sospensione: prodotti chimici intermedi, pasta di cellulosa, sospensioni leggere e flussi petrolchimici in cui una girante chiusa si intaserebbe, mentre una girante aperta comporterebbe una perdita eccessiva di efficienza.

Girante chiusa — Massima efficienza per fluidi puliti

In una girante chiusa, le pale sono racchiuse tra una copertura anteriore e una posteriore, creando passaggi interni sigillati che guidano il fluido con perdite minime. Questo è lo standard industriale per l’impiego con liquidi puliti — e a ragione: l’efficienza varia da 70% a 90%, il valore più elevato tra tutti i modelli di giranti centrifughe.

La precisione dei canali di flusso interni è il fattore determinante per le prestazioni di una girante chiusa. I pezzi fusi realizzati con tolleranze CT4–CT6 (secondo la norma ISO 8062) garantiscono che la geometria del prodotto finito corrisponda al progetto idraulico. Una deviazione di appena 0,5 mm nella larghezza dei canali può ridurre l’efficienza di 2–3 punti percentuali — uno scarto che, nel corso dei 15–20 anni di vita utile della pompa, si traduce in un costo energetico significativo.

Le giranti chiuse si basano su indossare anelli — guarnizioni di sicurezza nell’occhio della girante — per controllare il ricircolo interno. Nelle pompe conformi alla norma API 610, il gioco diametrale degli anelli di usura è mantenuto tra 0,25 e 0,50 mm. Quando gli anelli di usura si consumano oltre i limiti di tolleranza, l’efficienza diminuisce e le vibrazioni aumentano. Gli anelli di usura sono sostituibili e la girante stessa può durare decenni in presenza di fluidi puliti.

Tra le applicazioni tipiche figurano le pompe di circolazione per impianti di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC), le pompe di alimentazione delle caldaie, il trasferimento di idrocarburi e l'approvvigionamento idrico comunale — ovvero qualsiasi applicazione in cui il fluido sia pulito, a bassa viscosità e privo di particelle solide di dimensioni superiori a circa 0,5 mm.

Direzione del flusso — Flusso radiale, assiale e misto

Oltre alla configurazione dell’involucro, le giranti vengono classificate in base alla direzione di scarico del fluido. Questa seconda dimensione — determinata dalla girante stessa — velocità specifica (Nₛ) — determina se la pompa eroga alta pressione a portata moderata, portata elevata a bassa pressione o una via di mezzo. La geometria segue le leggi della fisica.

*Unità di misura statunitensi: Nₛ = N√Q / H^(3/4), dove N = giri al minuto (RPM), Q = galloni al minuto (GPM), H = piedi per stadio al punto di massima efficienza (BEP).

All’aumentare della velocità specifica, la girante passa da una forma radiale stretta e di grande diametro a un design assiale ampio, simile a un’elica. Il flusso misto si colloca a metà strada tra i due: un profilo di scarico conico adatto ad applicazioni con prevalenza media.

Per la maggior parte degli utenti di pompe industriali, le giranti chiuse a flusso radiale coprono la stragrande maggioranza delle applicazioni. I modelli a flusso assiale e misto entrano in gioco solo quando le portate superano quelle che una girante radiale è in grado di fornire in pratica in un unico stadio.

Giranti speciali per solidi, fanghi e acque reflue

Quando il fluido contiene più di tracce di solidi — si pensi alle acque reflue non trattate, ai fanghi industriali o ai detriti fibrosi — la classificazione standard in tre tipi non è sufficiente. Le giranti specializzate sacrificano l’efficienza a favore della capacità di passaggio, e la logica di selezione cambia: Determinare innanzitutto la dimensione massima dei solidi che la pompa deve essere in grado di far passare, quindi scegliere la girante che consenta il passaggio di tali solidi con la minore perdita di efficienza possibile.

Girante Vortex (da incasso) — Quando il funzionamento senza intasamenti è un requisito imprescindibile

Una girante a vortice è incassata nella camera posteriore del corpo pompa, creando un vortice rotante che sposta il fluido e i solidi attraverso la pompa senza che questi ultimi entrino in contatto diretto con le pale. L'accoppiamento idraulico trasmette energia senza spostamento meccanico: le pale non entrano mai in contatto con il materiale pompato.

Il risultato è quanto di più simile esista a una girante a prova di intasamento. Solidi di dimensioni fino a 100 mm e materiali a fibra lunga come stracci e salviettine umidificate vengono convogliati in modo affidabile. Il costo: l’efficienza raggiunge un massimo di 59%, secondo i dati prestazionali pubblicati da KSB per il proprio modello a vortice F-max (KSB SE & Co. KGaA, 2025). Il consumo energetico è di circa 30–40% superiore rispetto a quello di una girante chiusa che movimenta la stessa portata.

Si consiglia di utilizzare una girante a vortice quando i tempi di fermo dovuti all’intasamento comportano costi superiori al consumo energetico aggiuntivo: l’aspirazione di acque reflue non trattate, gli sfiori delle fognature miste e le acque reflue industriali con carichi di solidi imprevedibili ne sono esempi classici. Il limite massimo di efficienza implica inoltre che le pompe a vortice debbano essere dimensionate con cura: un sovradimensionamento aggrava lo spreco energetico.

Girante a canali — Gestione dei solidi ad alta efficienza

Una girante a canali presenta un design chiuso con 2-3 passaggi sovradimensionati e dalle pareti lisce, anziché numerose pale strette. Gli ampi canali consentono il passaggio dei solidi, mentre la struttura con deflettori garantisce l’efficienza idraulica.

Il divario in termini di prestazioni è notevole: le giranti multicanale chiuse raggiungono un’efficienza massima di 86%, avvicinandosi quasi a quella delle giranti chiuse per liquidi puri, pur consentendo il passaggio di solidi di dimensioni fino a circa 80 mm (KSB SE & Co. KGaA, 2025). Le varianti a canale aperto (a pale multiple radiali) raggiungono 84% e gestiscono un contenuto di solidi secchi fino a 8%.

Il compromesso: le giranti a canale richiedono acque reflue pre-filtrate o trattate meccanicamente. Le fibre lunghe possono comunque avvolgersi attorno alle pale, e un contenuto di gas superiore a circa 5% causa instabilità nelle prestazioni. Per i fanghi attivi, le acque piovane e gli effluenti industriali con caratteristiche dei solidi prevedibili, la girante a canale rappresenta spesso il compromesso ottimale tra efficienza e affidabilità.

Giranti per trituratori e macinatori — Riduzione attiva dei solidi

Mentre le giranti a vortice e a canale lasciano passare passivamente i solidi, quelle a taglio e a macinazione li distruggono attivamente prima del pompaggio.

A girante del taglierino integra un meccanismo di taglio a bordi affilati all’ingresso della girante che sminuzza i materiali fibrosi — salviette, stracci, denim — in frammenti abbastanza piccoli da passare attraverso lo scarico. L'efficienza è bassa (circa 42%), ma l'alternativa nelle condotte di scarico di piccolo diametro (DN 32–65) è l'intasamento frequente. Le pompe trituratrici sono di uso comune negli impianti fognari a pressione in cui i solidi devono percorrere lunghe distanze attraverso tubazioni di piccolo diametro.

A girante del mulino va oltre, macinando i solidi contro un anello di taglio fisso fino a quando non passano attraverso una piastra filtrante — con aperture tipicamente comprese tra 6 e 10 mm. Le pompe trituratrici vengono utilizzate quando le apparecchiature a valle (vagli, filtri, membrane) presentano limiti di passaggio dei solidi molto ristretti, oppure quando il diametro della linea di scarico è semplicemente troppo piccolo per consentire l'uso di apparecchiature di dimensioni maggiori.

In che modo la progettazione della girante influenza il processo di produzione

Questo è l’aspetto che la maggior parte degli articoli tralascia — eppure è fondamentale. Il tipo di girante che si sceglie non determina solo le prestazioni della pompa, ma condiziona anche il modo in cui la girante deve essere realizzata. Comprendere questa correlazione aiuta a valutare i fornitori, a confrontare i preventivi in modo oculato e a individuare i rischi legati alla qualità prima che si traducano in guasti sul campo.

Ecco come funziona la mappatura:

Fusione a cera persa — Produzione di precisione per geometrie complesse di giranti

Le giranti chiuse rappresentano una sfida dal punto di vista produttivo: i canali di flusso interni tra le coperture sono inaccessibili alle macchine utensili. L’unico modo per creare questi passaggi è realizzarli durante la fusione — e l’unico processo in grado di garantire la geometria richiesta è fusione a cera persa con sol di silice (nota anche come fusione a cera persa).

Il processo inizia con un modello in cera — una replica esatta della girante finita, compresi i canali interni. Questo modello viene immerso ripetutamente in una sospensione ceramica per formare un guscio dello spessore di 6–7 strati, con ogni strato lasciato essiccare per 4–6 ore. Una fonderia dotata di linee automatizzate per la realizzazione dei gusci è in grado di completare l’intero processo di formazione del guscio in circa 36 ore — circa cinque volte più velocemente rispetto alla realizzazione manuale dei gusci e con una uniformità di gran lunga superiore.

Dopo la deparaffinatura e la cottura, il metallo fuso viene colato all’interno del guscio ceramico. Una volta solidificato, il guscio viene rimosso, rivelando una girante di forma quasi definitiva che richiede solo una lavorazione di finitura minima sul foro, sulle facce e sulle superfici di bilanciamento.

La precisione è fondamentale per le prestazioni della pompa. La fusione a cera persa garantisce abitualmente Tolleranza dimensionale CT4–CT6 (ISO 8062) e Finitura superficiale Ra 3,2 μm sui canali di flusso — il che significa che la geometria del pezzo fuso corrisponde fedelmente al modello CAD del progettista idraulico. Nel caso di una girante chiusa con 5–7 pale e una complessa curvatura 3D, questa precisione “near-net” si traduce direttamente in un’efficienza conforme alle specifiche nel punto di funzionamento.

Le fonderie in grado di coniugare questa precisione con un’ampia gamma di leghe — acciai inossidabili (304, 316, duplex), leghe a base di nichel (Hastelloy, Inconel) e acciai per utensili — offrono ai produttori OEM di pompe una soluzione da un unico fornitore per l’intera gamma di giranti. Quando si valuta un fornitore di fusioni, è opportuno informarsi sull’automazione della produzione dei modelli, sulla capacità di rispetto delle tolleranze e sulla gamma di leghe offerte. Questi tre fattori determinano sia i tempi di consegna che la costanza della qualità.

Fusione in sabbia e metodi alternativi — Quando le dimensioni e l’economicità determinano la scelta del processo

Per le giranti di grandi dimensioni — pensiamo a diametri di 500 mm e oltre — la fusione a cera persa diventa poco praticabile. I modelli in cera diventano ingombranti, i gusci in ceramica richiedono attrezzature di movimentazione di grandi dimensioni e la curva dei costi registra un brusco aumento. Oltre la fascia di peso compresa tra 50 e 100 kg, fusione in sabbia diventa la scelta più vantaggiosa dal punto di vista economico.

Il compromesso riguarda la precisione. La fusione in sabbia consente in genere di ottenere tolleranze comprese tra CT8 e CT10, ovvero da due a quattro gradi più larghe rispetto alla fusione a cera persa. La finitura superficiale è più ruvida ed è necessario lasciare un margine maggiore di materiale per la lavorazione di finitura. Tuttavia, nel caso di giranti di grandi dimensioni, aperte o semi-aperte, con geometrie più semplici, il risparmio sui costi supera il tempo aggiuntivo richiesto per la lavorazione.

Dopo la fusione, le giranti di grandi dimensioni richiedono una lavorazione CNC più complessa: alesatura, tornitura frontale, profilatura delle estremità delle pale e bilanciamento dinamico. Il grado di bilanciamento previsto è in genere G6.3 o G2.5 (ISO 1940), ottenuto aggiungendo o rimuovendo peso in punti specifici.

Per la prototipazione rapida o per canali di raffreddamento altamente complessi che non è possibile realizzare tramite fusione, la stampa 3D (produzione additiva) rappresenta un’opzione emergente, sebbene attualmente limitata a piccoli volumi e leghe speciali.

Adeguamento del materiale della girante al fluido trattato

Hai selezionato il tipo di girante. Ora devi scegliere il materiale. Una scelta errata della lega può compromettere in poche settimane il funzionamento di una pompa altrimenti progettata alla perfezione.

Le tre variabili che determinano la scelta dei materiali sono chimica dei fluidi (corrosione), temperatura (proprietà meccaniche alla temperatura di esercizio), e abrasività (resistenza all'erosione). La tabella che segue mette in relazione le applicazioni più comuni dei fluidi con le scelte standard dei materiali.

Una nota sui cloruri: l’acciaio inossidabile 316L è idoneo per concentrazioni di cloruri fino a circa 200 ppm a temperatura ambiente, ma tale soglia diminuisce drasticamente all’aumentare della temperatura. Per le applicazioni in acqua di mare o acqua salmastra, l’acciaio inossidabile duplex (2205) tollera livelli di cloruro superiori a 1.000 ppm e offre una resistenza allo snervamento circa doppia rispetto al 316L, consentendo la realizzazione di giranti più sottili e leggere a parità di pressione nominale.

In ambienti estremi — acidi concentrati, temperature criogeniche o atmosfere ossidanti ad alta temperatura — le superleghe a base di nichel diventano indispensabili. Le fonderie con esperienza in oltre 200 tipi di leghe possono fornire una guida nella scelta dei materiali che va oltre quanto offerto da un catalogo standard.

Se state cercando giranti per pompe e avete bisogno di un partner produttivo in grado di realizzare fusioni a cera persa di precisione — con tolleranze CT4–CT6, finitura superficiale Ra 3,2 sui canali di flusso interni e una gamma metallurgica che copre oltre 200 leghe — BesserCast (www.bessercast.com) è un'azienda specializzata fonderia specializzata nella fusione di precisione con oltre 20 anni di esperienza nel settore fusioni di componenti per pompe.

Bibliografia

1. KSB SE & Co. KGaA. “Applicazioni nel settore delle acque reflue: scelta delle giranti delle pompe”. 2025. https://www.ksb.com/en-gb/solutions/waste-water-technology/selecting-pump-impellers
2. ISO 8062-3:2007. “Specifiche geometriche dei prodotti (GPS) — Tolleranze dimensionali e geometriche per i pezzi stampati.” Organizzazione internazionale per la normazione.
3. Norma API 610. “Pompe centrifughe per l’industria petrolifera, petrolchimica e del gas naturale”. American Petroleum Institute.
4. ISO 1940-1:2003. “Vibrazioni meccaniche — Requisiti di qualità di bilanciamento per rotori in stato costante (rigido)”. Organizzazione internazionale per la normazione.
5. BesserCast. “Produttore specializzato nella fusione di precisione.” https://www.bessercast.com/
6. BesserCast. “Materiali per pompe e fusione di componenti.” https://www.bessercast.com/pump-materials/
7. BesserCast. “Contatti.” https://www.bessercast.com/contact/