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L’obiettivo di questa tesi è la progettazione e l’analisi numerica di una turbina radiale per applicazioni criogeniche. La turbina in questione è il dispositivo che opera l’espansione in un piccolo impianto per la produzione di gas naturale liquefatto, il cui ciclo di riferimento è il ciclo Brayton-Joule inverso ed il fluido operativo è azoto. La turbina è classificata come HPR cioè una turbina che opera ad elevato rapporto di espansione, PR_ts=7.78.
Il punto di partenza del lavoro sta nella conoscenza di alcune caratteristiche geometriche e prestazionali di una turbina già studiata in un lavoro di tesi precedente, utilizzando buone tecniche di design previste dalla letteratura. Un modello mean-line, fornito nel linguaggio di MATLAB, è stato utilizzato per computare un’ottimizzazione delle prestazioni della turbina attraverso un solver gradient based. Il risultato dell’ottimizzazione fornisce una nuova geometria di turbina rispetto alla turbina utilizzata come riferimento. Il rendimento totale statico della turbina ottimizzata migliora di 2.5 pp rispetto alla turbina di riferimento. Da un punto di vista fluido-dinamico la turbina di riferimento presentava il problema della formazione di un’onda d’urto in una sezione del canale palare rotorico vicina al trailing edge.
Una volta calcolata la geometria completa della turbina ottimizzata, è stato costruito un modello 3D dello statore e del rotore della turbina. Per lo statore le linee guida presentate da Aungier sono prese come riferimento ed utilizzate insieme alle informazioni ottenute dalla geometria calcolata dal modello mean-line per ottenere un modello completo di palettatura statorica. La palettaura rotorica segue invece completamente il metodo di Aungier e per la distribuzione della camberline in funzione della coordinata meridiana sono state implementate sia il modello usato per le turbine che quello per i compressori per avere un confronto tra i due modelli.
La griglia computazionale del dominio fluido è stata calcolata mediante l’uso del software commerciale TurboGrid. Queste operazioni sono state effettuate per fare un’analisi numerica tramite simulazioni fluidodinamiche. Le simulazioni CFD sono state effettuate tramite CFX dello stesso pacchetto Ansys degli altri programmi utilizzati. Le simulazioni CFD sono state calcolate per valutare la bontà dei risultati ottenuti dal codice mean-line, per visualizzare effetti tridimensionali del flusso ed eventualmente risolvere problemi che non siano visibili dalla progettazione 1D.
Infine un’analisi in condizioni di off-design è stata effettuata variando la velocità di rotazione della turbina sia utilizzando il codice mean-line sia attraverso simulazioni CFD per compilare mappe prestazionali della turbina in condizioni diverse da quelle di progetto.
I risultati ottenuti dal CFD forniscono per entrambi i modelli di progettazione delle pale rotoriche simili. Le simulazioni calcolate con il modello per le turbine forniscono un rendimento totale statico di 0.888 mentre quelle effettuate con il metodo per i compressori di 0.884. Da ciò si può osservare che la deviazione massima nel rendimento totale statico in condizioni di design tra modello mean-line e simulazioni CFD è di 1.3 pp. L’ottimizzazione invece fornisce un aumento di circa il 3% rispetto alla turbina di riferimento e la nuova geometria risolve il problema della formazione di un’onda d’urto nella sezione di uscita del rotore.
[English version]
The purpose of this work is to design a radial inflow turbine for cryogenic applications. The turbine is the expansion device of a small scale plant for LNG production, which reference cycle is a reverse Brayton-Joule cycle and the working fluid is nitrogen.
The starting point is a formerly designed turbine, an optimization process based on mean-line method is computed in order to carried out an improvement in machine performances. A new turbine geometry is obtained from the mean-line optimization. The results of mean-line optimization provides an improvement in performance of the turbine in term of total to static efficiency of 2.5 pp with respect the same value achieved with the geometry of reference turbine.
In this thesis a three-dimensional approach to design of the rotor and the stator of turbine is implemented. BladeGen® is the software chosen to develop this operation. The rotor of turbine is generated following two different method, the camberline of the rotor is computed following Aungier method for turbines and for compressors.
After that, CFD simulations are computed in the commercial software CFX® in order to assess the mean-line performance prediction is accurate and to observe the behaviour of three dimensional flow and eventually to solve some issues that are not predicted from 1D model. The mean-line performances are compared with the performance achieved from CFD simulations.
At the end an off-design analysis is computed through the CFD software, to compute maps of the turbine at different conditions from design point.
CFD results provide very similar performances between the two way of the rotor design, in term of total to static efficiency, 0.888 for turbine blade method and 0884 for compressor blade method. Results show that the optimization process improves the total to static efficiency of about 3% respect of the turbine designed without optimization. The mean-line model provided is a fairly accurate instrument in performance prediction of turbines, both at design and off-design conditions.