PRESENTAZIONE

L’insegnamento approfondisce architettura e funzionamento delle turbomacchine assiali e radiali.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento 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. A tale fine, viene preliminarmente descritta l’architettura delle principali turbomacchine e vengono riviste le informazioni sulle proprietà fisiche dei fluidi e sulle equazioni della termodinamica e della fluidodinamica di interesse turbomacchinistico.

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

ANDREA CATTANEI (Presidente)

CARLA CORDALONGA

MATTEO DELLACASAGRANDE

DAVIDE LENGANI

FRANCESCA SATTA

DANIELE SIMONI

VITTORIO USAI

SILVIA MARELLI (Presidente Supplente)

GIORGIO ZAMBONI (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

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

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

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

Si consiglia agli studenti con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare il docente all’inizio delle lezioni per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.

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