OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Il corso si propone di fornire le conoscenze fondamentali per la comprensione del funzionamento delle turbomacchine assiali e radiali, per lo studio del flusso al loro interno e per la loro progettazione.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Attraverso la frequenza attiva di lezioni ed esercitazioni e lo studio individuale, lo studente acquisirà:

una conoscenza operativa delle proprietà fisiche dei fluidi comunemente elaborati dalle turbomacchine, delle trasformazioni termodinamiche seguite, delle equazioni di bilancio impiegate per lo studio del flusso, della teoria della similitudine e della statistica, nonché dell’effetto dei principali vincoli aerodinamici e strutturali sul disegno della pala;

una conoscenza di base dell’architettura dei principali tipi di turbomacchine operatrici, delle funzioni degli organi che le compongono e delle variazioni delle principali quantità fluidodinamiche e termodinamiche;

con specifico riferimento ai compressori assiali multistadio, una conoscenza di base dell’andamento delle principali quantità fluidodinamiche e termodinamiche lungo macchina, nonché delle curve caratteristiche;

con specifico riferimento alle turbomacchine operatrici assiali e radiali, una conoscenza operativa dei modelli del flusso monodimensionali e bidimensionali nel piano meridiano e sulla superficie di intrapalare;

una conoscenza di base delle anomalie di funzionamento delle turbomacchine operatrici.

PREREQUISITI

Nozioni di base di Fluidodinamica, Termodinamica e Macchine a fluido.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni teoriche e applicative.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1. Richiami di fluidodinamica e di termodinamica delle macchine

1.1. Proprietà fisiche fondamentali dei fluidi e modelli del loro comportamento

Pressione di vapore; equazione costitutiva e viscosità; equazione di stato dei gas perfetti, energia interna ed entalpia, calori specifici, trasformazioni politropiche; modulo di compressibilità e velocità del suono. Limiti di applicabilità ed effetto della temperatura. Integrali ricorrenti nel calcolo dello scambio di lavoro e rendimenti adiabatico e politropico.

1.2. Equazioni di bilancio monodimensionali per lo studio delle turbomacchine

Equazioni della continuità (per flusso comprimibile e incomprimibile), dell’energia (per flusso comprimibile e incomprimibile, in forma meccanica e termodinamica, nel riferimento assoluto e relativo), della quantità di moto, del momento della quantità di moto e di Eulero. Prevalenza e pressione, temperatura ed entalpia totali. Ipotesi fondamentali e limiti di applicabilità. Problemi di progetto e di verifica e caratteristiche fondamentali dei relativi algoritmi.

1.3. Teoria della similitudine

Adimensionalizzazione della soluzione delle equazioni di Navier-Stokes (per flusso comprimibile e incomprimibile) e scelta dei parametri dimensionali di riferimento. Parametri adimensionali fondamentali per le turbomacchine (numeri di Mach e Reynolds, coefficienti di portanza e di resistenza, coefficienti di portata e di carico, portata ridotta, numero di giri ridotto, rapporto di compressione; loro legami con il numero di Mach), adimensionalizzazione delle curve caratteristiche e interpretazione del loro andamento. Limiti di applicabilità.

1.4. Statistica

Diametro e numero di giri specifici, correlazioni empiriche, legami con i vincoli progettuali ed effetto sulla geometria della macchina. Limiti di applicabilità.

2. Architettura e funzionamento delle turbomacchine operatrici assiali

2.1. Rappresentazione geometrica delle turbomacchine assiali: sezioni meridiana e interpalare cilindrica, rappresentazione delle pale e dei triangoli di velocità.

2.2. Funzione del rotore: triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; legame fra spinta di pala, scambio di lavoro e incremento di pressione; conformazione della palettatura e analogia con il comportamento di un profilo isolato. Deviazione del flusso, perdite e curva caratteristica.

2.3. Funzione dello statore nelle macchine mono e multistadio: triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; conformazione della palettatura, analogie e differenze con i rotori

2.4. Compressori assiali multistadio: andamenti delle velocità e distribuzioni dello scambio di lavoro, del rapporto di compressione e del grado di reazione lungo la macchina; effetto del numero di Mach. Curve caratteristiche.

2.5. Flusso bidimensionale negli anuli: equazione dell’equilibrio radiale e principali leggi di vortice; impiego nei problemi di progetto e di verifica.

2.6. Vincoli aerodinamici e strutturali sull’altezza di pala.

3. Architettura e funzionamento delle turbomacchine operatrici radiali

3.1. Rappresentazione geometrica delle turbomacchine radiali: sezione meridiana, superficie di flusso interpalare e rappresentazione delle pale e dei triangoli di velocità.

3.2. Rotore di macchina operatrice radiale: triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; legame fra spinta di pala, scambio di lavoro e incremento di pressione; angolo di pala e scorrimento del flusso all’uscita e relative correlazioni, curva caratteristica.

3.3. Funzione dello statore e della voluta: diffusore palettato e non palettato, triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; conformazione della palettatura; disegno della voluta.

3.4. Flusso bidimensionale sulla superficie intrapalare: disegno della pala con il metodo della curvatura delle linee di corrente.

3.5. Vincoli aerodinamici e strutturali sulla curvatura  e sullo spessore della pala.

4. Il funzionamento anomalo delle turbomacchine operatrici

4.1. Stallo, pompaggio e choking nei compressori.

4.2. Cavitazione e altezza di aspirazione per le pompe.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Dispense del corso a cura del docente.

E. M. Greitzer, C. S. Tan, M. B. Graf, Internal Flow: Concepts and Applications, Ed. Cambridge University Press.

N. A. Cumpsty, Compressor Aerodynamics, Ed. Longman.

R. I. Lewis, Turbomachinery performance analysis, Ed. Arnold.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

MASSIMO CAPOBIANCO (Presidente)

DARIO BARSI

MATTEO DELLACASAGRANDE

MATTEO LUZZI

SILVIA MARELLI

FRANCESCA SATTA

DANIELE SIMONI

VITTORIO USAI

GIORGIO ZAMBONI

ANDREA CATTANEI (Presidente Supplente)

DAVIDE LENGANI (Presidente Supplente)

PIETRO ZUNINO (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/9270/p/studenti-orario

Orari delle lezioni

MODULO DI TURBOMACCHINE

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

Esame orale alla fine del corso, di norma ogni martedì su appuntamento da fissare per e-mail a Andrea.Cattanei@unige.it con almeno una settimana di anticipo.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Discussione di argomenti del corso a partire da due domande. Il colloquio è finalizzato ad accertare la comprensione del significato fisico e dell'interesse ingegneristico.

Calendario appelli