L’insegnamento approfondisce architettura e funzionamento delle turbomacchine assiali e radiali.
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.
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.
Nozioni di base di Fluidodinamica, Termodinamica e Macchine a fluido.
Lezioni teoriche e applicative.
Gli studenti che abbiano certificazioni in corso di validità per Disturbi Specifici dell’Apprendimento (DSA), per disabilità o altri bisogni educativi sono invitati a contattare il docente e il referente per la disabilità della Scuola Politecnica, Prof. Federico Scarpa (federico.scarpa@unige.it), all’inizio dell’insegnamento per concordare eventuali modalità didattiche e di esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali
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.
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.
Ricevimento: Su appuntamento da fissare mediante email ad Andrea.Cattanei@unige.it
ANDREA CATTANEI (Presidente)
MATTEO DELLACASAGRANDE
EDWARD CANEPA (Presidente Supplente)
SILVIA MARELLI (Presidente Supplente)
GIORGIO ZAMBONI (Presidente Supplente)
FEDERICO NANNETTI (Supplente)
FEDERICO ONNIS (Supplente)
VITTORIO USAI (Supplente)
https://corsi.unige.it/corsi/9270/studenti-orario
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.
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.
