ETD system

Electronic theses and dissertations repository

 

Tesi etd-06182012-120007


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
RAJOLA, MARCO
email address
marco.rajola@gmail.com
URN
etd-06182012-120007
Title
Modello di ordine ridotto per l'ottimizzazione di turbine radiali
Struttura
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA AEROSPAZIALE
Supervisors
relatore Prof. Paganucci, Fabrizio
relatore Prof. D'Agostino, Luca
relatore Ing. Valentini, Dario
Parole chiave
  • turbine losses models
  • analisi quasi-tridimensionale
  • ottimizzazione parametrica
  • voluta
  • ottimizzazione
  • distributore radiale
  • modello di ordine ridotto
  • algoritmo genetico
  • turbina radiale
Data inizio appello
10/07/2012;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
SOMMARIO:

Il presente lavoro si occupa dello sviluppo
di un modello di ordine ridotto automatico,
volto al progetto preliminare
ottimizzato di turbine radiali.
Il modello procede riducendo la complessità matematica
delle equazioni fluidodinamiche che
governano il flusso nei vari componenti.
Quindi sfrutta tale ridotta complessità per mettere in relazione la geometria dei componenti e i campi fluidodinamici nella turbina, con
i dati di progetto della stessa e con un
set contenuto di parametri liberi.
Infine opera una ottimizzazione parametrica per
determinare la configurazione di turbina radiale che massimizzi una funzione
obbiettivo. Solitamente si ottimizza la potenza estratta dalla turbina, ma
il modello è assolutamente versatile nella scelta della funzione
di merito. Contemporaneamente
il modello prende in considerazione aspetti cruciali, quali la separazione degli strati limite, le perdite fluidodinamiche,
e l'inversione di flusso per eccessivo carico sulle pale rotoriche.
In questo modo le strategie di selezione della configurazione
procedono nella ricerca di soluzioni che massimizzino la
funzione obbiettivo, scartando tutte le
configurazioni che non rispettino determinati requisiti
sul comportamento fluidodinamico.

La necessità del presente lavoro deriva dal fatto che la
pratica comune di progetto spazia da metodi automatici ma uni-dimensionali, a complessi metodi viscosi tridimensionali.
I primi peccano semplificando eccessivamente i fenomeni fisici,
e non sono in grado di fornire
informazioni dettagliate sulla configurazione geometrica ottima; i secondi
hanno bisogno di un esperto utente per migliorare iterativamente il disegno dei componenti fino a convergere ad una soluzione accettabile, spesso non ottima.
Metodi completamente opposti basano il progetto su correlazioni
di dati ed informazioni provenienti da precedenti applicazioni, ad
esempio sfruttando procedure di ''scalatura'' delle geometrie.
Nella presente tesi si è ricercato un bilanciamento tra la dovizia di informazioni
geometriche che il metodo deve selezionare e la complessità delle
informazioni fluidodinamiche necessarie a rendere tale selezione
automatica e autosufficiente. Con lo scopo di determinare la forma
tridimensionale ottima delle pale rotoriche, ad esempio,
si è adottata per il rotore una analisi
fluidodinamica quasi-tridimensionale.


Le strategie di ottimizzazione e selezione si basano su tecniche derivanti
dagli algoritmi genetici. Queste sono ideali per
l'ottimizzazione vincolata che il modello deve approntare
al fine di evitare fenomeni fluidodinamici sfavorevoli per
il funzionamento della turbina.
Il modello è infine testato sul progetto preliminare
di una turbina radiale dedicata ad un sistema di potenza per applicazione spaziale, basato su un ciclo Brayton solare.

In conclusione è stato realizzato un nuovo metodo di sintesi, il quale, analizzando i fenomeni fluidodinamici che hanno luogo nei componenti, permette di ottenere rapidamente un disegno preliminare ed ottimo di turbina radiale. Il modello offre assieme semplicità, automaticità e dovizia di implicazioni fluidodinamiche,
caratteristiche difficili da trovare in un singolo strumento di progettazione.

Il lavoro è stato condotto presso Alta S.p.A con la collaborazione del Professor Fabrizio Paganucci, del Professor Luca d'Agostino, e dell' Ing. Dario Valentini.



ABSTRACT:

This Master Thesis Project deals with the development of a fully automatic model for radial inflow turbines optimization. The main goal is to reduce the mathematical complexity of the fluid-dynamic equations which manage the behavior of different turbine components. Then, this reduced order model allows for
establishing relations between components shape and dimensions, engineering input data from the application, and fluid-dynamics aspects of the turbine.
As a final objective, the statement of the radial inflow turbine which maximizes the output power while allowing for a robust control on BL separation mechanism,
channel blockage, fluid losses and flow regularity; finally the machine performances are also obtained.

The interest in such work derives from the usual procedures for radial inflow turbines designs. These vary from automatic one-dimensional methods to fully three-dimensional viscous models which need the user to iteratively change the turbine configuration to get to a reasonable, but not optimal, final shaping.
Other industrial procedures need a great amount of information from previous applications which are then used and adapted to new preliminary designs.

In the model here presented, each component has been analyzed using relevant fluid dynamic equations; when necessary, these have been simplified without
hiding the principal fluid-dynamics mechanisms. The component geometry has been selected based on combined information coming from fluid equations and from
the regularity of the components shaping. This path allows to reduce the geometrical complexity of the whole machine to a reduced number of geometrical parameters. Finally, algorithms have been created to search for the combination of parameters which maximize the performances and contemporarily avoid major drawbacks of actual designs, as separation in the rotor channels; in so doing many concurrent selections have been performed through the optimization.

The resolutive turbine configuration is then analyzed, and a comparison with literature designs is
presented, this based on relevant performance parameters such as specific speed and efficiency. Indeed the method showed relevant resembling with optimal designs features. In conclusion, a new synthesis method for radial inflow turbine design has been developed an tested, this allows to rapidly find an optimized solution from very few input data. The method is characterized by
simplicity, automatization, and is plenty of fluid-dynamic coherence implications which are really hard to be found in the same method.


The work has been conducted in the framework of Alta S.p.A. with the collaboration of Professor Fabrizio Paganucci, Professor Luca d'Agostino, and Eng.Dario Valentini.
File