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Questo lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione di una turbina radiale per un’applicazione criogenica specifica, ovvero all’interno di un impianto di piccola taglia per la liquefazione del gas naturale. Il ciclo termodinamico su cui si basa l’impianto è il ciclo Brayton-Joule inverso, realizzato da un refrigerante esterno, l’azoto. La fase di espansione è affidata a una turbina radiale, seguita da una valvola di laminazione, il cui inserimento si è rivelato necessario a causa dell’eccessivo rapporto di espansione richiesto dall’impianto.
Questa tesi si propone di determinare una geometria completa della macchina, basata su specifiche di progetto fornite dall’impianto già progettato, sfruttando l’ampia letteratura disponibile in tema di turbine “calde” e mantenendo tuttavia verso di essa un atteggiamento critico. Una prima fase del lavoro è incentrata sulla valutazione del rendimento raggiungibile della macchina tramite un processo iterativo fra progetto preliminare zero-dimensionale e simulazioni CFD. Questo coinvolge solamente il rotore, che dà il maggiore contributo alle perdite della macchina e di cui viene simulato in questa fase un solo vano palare. Una volta raggiunta la convergenza fra il rendimento imposto nel progetto preliminare e il rendimento ottenuto dalle simulazioni CFD, è stata svolta la progettazione della geometria dello statore e della voluta. Anche questi ultimi due componenti sono stati sottoposti a ottimizzazione e verifica fluidodinamica tramite simulazioni CFD dell’intera turbina.
Per non escludere del tutto alcune scelte progettuali, nella prima fase di questo lavoro sono stati analizzati due modelli di rotore, simili fra loro per quanto riguarda i valori scelti per i parametri adimensionali caratteristici, ma diversi per numero di pale, ottenuto tramite due diverse correlazioni empiriche. Le simulazioni condotte sui modelli progettati hanno portato a valori dei rendimenti definitivi molto simili (86.8 % e 86.6 % a fronte di un rendimento di progetto del 87.0 %), per cui si è optato per la geometria più semplice.
Per concludere la caratterizzazione della turbina progettata, sono state svolte delle simulazioni CFD in condizioni off-design, dalle quali sono state ricavate le mappe della performance in termini di rendimento e portata corretta in funzione del rapporto di espansione. Complessivamente la turbina ha mostrato una variazione piuttosto modesta del rendimento in un range compreso fra il 33% e il 129% del rapporto di espansione di progetto e una buona capacità di regolazione della portata tramite la variazione del numero di giri.


This thesis deals with the design of a radial turbine for a specific cryogenic application, namely into a small size plant for natural gas liquefaction. The thermodynamic cycle on which the plant is based is the reverse Brayton-Joule cycle, performed by an external refrigerant, nitrogen. The expansion is fulfilled by a radial turbine, followed by a throttling valve, which has been introduced in order to limit the expansion ratio that the turbine has to cover.
This work aims at determining a complete geometry for the machine, based on the design specification given by an already designed plant and using the extensive scientific knowledge available about hot temperature turbines, maintaining however a critical attitude towards it.
The first phase of this work is centred on the evaluation of the efficiency that the turbine is able to achieve through an iterative process involving the zero-dimensional preliminary design and the CFD simulations. This process involves just the rotor, that has the greatest influence on the global efficiency of the turbine. In this step of the design, simulations are carried out on a single rotor vane.
Once convergence had been reached between the assumed efficiency and the efficiency obtained from CFD simulations, the design of the volute and the nozzle was carried out to complete the geometry of the turbine. These components have been optimized and assessed through CFD simulations.
In order not to exclude some design alternatives, two models of the turbine have been proposed. They are similar in the choice of the non-dimensional variables’ values, but differ in the number of blades, which has been obtained through different empirical correlations. The CFD simulations performed on the two models have led to final efficiencies which are very close to each other (86.8% and 86.6%, compared to a design efficiency of 87.0%). For this reason, the choice has fallen on the simplest one.
To conclude the characterization of the designed turbine, CFD simulations in off-design conditions has been performed, from which performance maps has been derived in terms of efficiency and corrected flow rate as a function of the expansion ratio. As a whole, the turbine has shown a robust behaviour in the observed conditions (from 33% to 129% of the design expansion ratio), having its efficiency reduced just by the 3% at the worst conditions (129% of the expansion ratio). An evaluation of the performance of the turbine varying the rotational speed of the shaft has also been performed in order to improve the turbine efficiency far from the design conditions.