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Tesi etd-09042019-215606


Thesis type
Tesi di laurea magistrale
Author
BIGAZZI, FILIPPO
URN
etd-09042019-215606
Title
Cinematismi di attuazione: studio di cinematismi per l'attuazione di ugelli mobili di espantore assiale
Struttura
INGEGNERIA CIVILE E INDUSTRIALE
Corso di studi
INGEGNERIA MECCANICA
Supervisors
relatore Ing. Beghini, Marco
relatore Ing. Valentini, Renzo
Parole chiave
  • nozzle guide vane
  • NGV
  • turbine a vapore
  • sistemi di regolazione della portata
  • cinematismi di attuazione delle pale
Data inizio appello
09/10/2019;
Consultabilità
Parziale
Data di rilascio
09/10/2089
Riassunto analitico
La tesi, svolta presso Baker Hughes a GE Company, ha come obiettivo lo studio del cinematismo di attuazione delle pale del primo stadio statorico di una turbina a vapore di nuova generazione. Tale meccanismo, detto in gergo tecnico Nozzle Guide Vane, è costituito da una schiera di pale a calettamento variabile e dal loro meccanismo di attuazione e viene utilizzato per effettuare la regolazione della portata di vapore elaborata dalla macchina. In particolare, esso è caratterizzato dal punto di vista cinematico da un meccanismo che trasformi il moto rotatorio di un elemento circolare (detto Anello) con asse parallelo a quello della macchina e ad esso concentrico in un moto di rotazione delle pale statoriche attorno al proprio asse (detto Stelo).
La regolazione dell’angolo di calettamento delle suddette pale consente infatti di variare la componente assiale della velocità assoluta del vapore ed effettuare così la desiderata regolazione della portata fluente in macchina e di conseguenza controllare la potenza erogata dalla turbina.
Per questo cinematismo di attuazione sono state fissate un certo numero di soluzioni alternative caratterizzate sia da design completamente innovativi sia da design ripresi da macchine già esistenti (ad esempio turbine a gas).
A tal proposito è stata eseguita anche un’apposita ricerca bibliografica per stabilire lo stato dell’arte su soluzioni simili a quella in esame ed eventualmente ottenere design alternativi a quelli già raccolti. Questa prima fase del lavoro non ha però sortito alcun risultato ed ha permesso di affermare che la regolazione della portata di una turbina a vapore tramite il calettamento variabile delle pale è una tecnica del tutto nuova.
Le soluzioni che sono state dunque prese in considerazione sono le seguenti:
• Soluzione con Ingranaggi
• Soluzione con Leva Elastica
• Soluzione con Doppio Giunto Sferico
• Soluzione con Leva ad Elasticità Concentrata

La soluzione con ingranaggi prevede l’utilizzo di una corona dentata con asse parallelo all’asse della macchina che ingrana con un certo numero di pignoni, uno per ogni pala, calettati a loro volta sullo Stelo.
Nella soluzione con leva elastica il moto tra l’anello e le pale è trasmesso per mezzo di un elemento flessibile che compie un moto relativo rispetto all’anello ed al tempo stesso si deforma elasticamente.
Nel design con doppio giunto sferico la catena cinematica che consente la trasmissione del moto tra l’anello e l’asse delle pale è costituita da una leva rigida calettata sullo Stelo e da un link. Quest’ultimo si interfaccia per mezzo di due snodi sferici da una parte alla leva e dall’altra all’anello ed è l’elemento che consente di trasmettere il moto tra di essi.
L’ultima soluzione presa in considerazione è basata anche in questo caso su una leva per il collegamento tra l’anello e lo Stelo; però, a differenza della già descritta soluzione con leva elastica, questo componente è costituito da tratti rigidi intervallati da elementi molto deformabili, detti Cerniere flessibili. La deformazione elastica di questi elementi è quindi in grado di garantire la desiderata trasmissione del moto eliminando al contempo tutti gli attriti e gli strisciamenti che sono inevitabilmente presenti negli altri design presentati.
Tutte le soluzioni finora descritte sono analizzate nel dettaglio in modo da ricavare gli elementi con cui imbastire un confronto finale tra di esse; tali analisi si basano sulla risoluzione dell’equilibrio dei vari componenti coinvolti al fine di determinare le azioni che essi subiscono durante il funzionamento.
A partire da queste è possibile eseguire i relativi calcoli di resistenza: questa fase prevede da un lato il calcolo delle tensioni agenti negli elementi critici al fine di verificarne la resistenza statica e a fatica; dall’altra, a partire dalla conoscenza delle forze e dei momenti che i vari elementi si scambiano, sono state calcolate le azioni che si sviluppano nei contatti (Pressioni di contatto e forze di attrito) in modo da poter stimare la resistenza ad usura delle parti coinvolte.
I calcoli appena descritti sono stati eseguiti sia avvalendosi di modelli risolubili per via analitica sia facendo ricorso a software che implementano il metodo degli elementi finiti(F.E.M).In base a questi calcoli è stato anche possibile ottenere un dimensionamento degli elementi costituenti ciascun meccanismo.
Il fine dell’attività di tesi è quindi quello di stabilire, in base ai risultati delle analisi svolte, quale sia la soluzione che meglio si adatta alla specifica di progetto.
Nella fase di scelta finale sono stati valutati, oltre ai valori quantitativi calcolati, i punti di forza e di debolezza di ciascuna soluzione via via emersi durante le analisi eseguite. In particolare è stata presa in considerazione la resistenza di ciascuna soluzione alle elevate temperature previste in esercizio, la precisione garantita dal cinematismo e la sua complessità (numero di parti coinvolte, complessità delle stesse, montaggio, manutenzione,…).
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