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Presso molti costruttori la progettazione dei turboalternatori è tuttora supportata da metodologie di calcolo che si avvalgono prevalentemente di tecniche di analisi elettromagnetica di tipo analitico/numerico, validate nel corso degli anni tramite un continuo confronto con dati sperimentali provenienti dal monitoraggio di macchine elettriche già in esercizio.
Nel corso dell’attività del Dottorato si è ritenuto pertanto utile eseguire anzitutto una ricerca bibliografica relativamente alle metodologie di analisi analitico/numeriche attualmente utilizzate per il supporto alla progettazione elettromagnetica degli alternatori, e successivamente, una volta chiarito lo stato dell’arte, sviluppare delle proprie metodologie di analisi tramite l’implementazione di modelli di calcolo analitici/FEM 2D e 3D. Sono state quindi affrontate prevalentemente problematiche inerenti lo sviluppo di modelli di calcolo per la simulazione numerica del funzionamento elettromagnetico di turboalternatori di taglie comprese tra i 300 ed i 500 MW.
Nell’implementare i modelli, si è tenuto conto sia del notevole sviluppo tecnologico che negli ultimi anni hanno avuto i software di calcolo commerciali basati sui metodi di calcolo agli elementi finiti, e sia della graduale diminuzione del costo della potenza di calcolo, fattori entrambi che hanno favorito un’ampia diffusione in campo accademico e industriale dei metodi di simulazione agli elementi finiti. Tali software, soprattutto i più avanzati, sono stati oramai dotati di interfacce utente anche molto semplici da usare per l’implementazione di analisi completamente multifisiche, quindi elettromagnetiche-termofluidodinamiche-meccaniche, grazie alle quali è possibile dominare all’interno di un unico modello di calcolo tutte le grandezze critiche di un progetto (temperature, stress meccanici, vibrazioni, etc…). Pertanto si è preferito sin da subito implementare i modelli FEM facendo ampio uso di software commerciali ritenendo invece oramai superato ed obsoleto un approccio basato sullo sviluppo/utilizzo di codici di calcolo numerici implementati direttamente dall’utente.
In particolare, sono state quindi affrontate le seguenti attività di ricerca:
- sviluppo ed implementazione in ambiente di modellazione FEM elettromagnetica di modelli di calcolo FEM 2D e 3D, con esempi di trasferimento dei risultati dei calcoli elettromagnetici verso gli ambienti di simulazione FEM termico e meccanico per lo sviluppo di modelli FEM multifisici;
- modellazione analitica di supporto allo sviluppo dei modelli FEM 2D e 3D;
- ideazione e sviluppo di sistemi di monitoraggio ad hoc mirati alla validazione sperimentale dei modelli di calcolo analitico/FEM proposti.
Come descritto ampiamente nella tesi, tramite le metodologie di calcolo ideate è possibile caratterizzare elettricamente un qualsiasi turboalternatore attraverso il calcolo dei suoi parametri elettrici caratteristici quali il rapporto di corto circuito, le curve di regolazione a carico (correnti di eccitazione ed angolo di carico per ogni punto di lavoro richiesto), le costanti di tempo, le reattanze sature e non. È stato inoltre possibile utilizzare le metodologie di modellazione 3D proposte per il supporto alla verifica del progetto meccanico e termico delle varie parti della macchina, con particolare attenzione alle parti terminali, dove si verificano maggiormente effetti negativi di generazione di forze elettrodinamiche/magnetiche e di circolazione di correnti parassite indotte. Il lavoro svolto nel corso del Dottorato e riportato nella tesi è stato ritenuto di interesse da parte di riviste specialistiche di rilievo industriale nel settore dell’analisi agli elementi finiti, portando alla pubblicazione di articoli e alla partecipazione su invito a conferenze del settore.