PRESENTAZIONE

L’insegnamento approfondisce architettura e funzionamento delle turbomacchine assiali e radiali e fornisce solide basi teoriche per il loro studio e il loro progetto.

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;
• 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 alle turbomacchine operatrici assiali, una conoscenza operativa dei modelli del flusso monodimensionali e bidimensionali nel piano meridiano e sulla superficie di intrapalare;
• con specifico riferimento ai compressori assiali multistadio, una conoscenza di base dell’andamento delle principali quantità fluidodinamiche e termodinamiche lungo la macchina, nonché delle curve caratteristiche;
• con specifico riferimento alle turbomacchine operatrici radiali, una conoscenza operativa dei modelli del flusso monodimensionali nel piano meridiano e sulla superficie di intrapalare;
• una conoscenza di base dei vincoli di natura fluidodinamica e strutturale che condizionano il progetto e il funzionamento delle turbomacchine operatrici assiali e radiali;
• funzionamento anomalo dei compressori: stallo, pompaggio e choking.

PREREQUISITI

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

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni teoriche e applicative.

Si invitano gli studenti e le studentesse con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali a contattare il docente prima dell’inizio delle lezioni per concordare modalità didattiche che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi.

Inoltre, l’eventuale richiesta di misure compensative e/o dispensative da adottare per l’esame dovrà essere predisposta usando il modulo al seguente link https://modulionline.unige.it/richiesta-adattamenti#no-back e dovrà quindi essere inviata al docente dell'insegnamento, al referente DIME (federico.scarpa@unige.it) e al Settore servizi per l‘inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (inclusione.studenti@info.unige.it) almeno sette giorni lavorativi prima della prova, come da linee guida presenti al link https://unige.it/disabilita-dsa/richiesta-servizi.

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 incremento di pressione, temperatura ed entalpia totali. Ipotesi fondamentali e limiti di applicabilità. Problemi di progetto e di verifica e caratteristiche fondamentali dei relativi algoritmi. Esempi applicativi dell’equazione dell’energia: pompa in circuito, rendimento di un ventilatore, controrecupero nella compressione e rendimento politropico, curva caratteristica di un ugello, moto di Rayleigh.

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 di un profilo, incidenza, gradiente avverso di pressione, separazione dello strato limite e stallo; coefficienti di portata e di carico, adimensionalizzazione delle curve caratteristiche di pompe e ventilatori, interpretazione del loro andamento; portata ridotta, numero di giri ridotto, rapporto di compressione e loro legami con il numero di Mach; adimensionalizzazione delle curve caratteristiche dei compressori assiali e interpretazione del loro andamento; accoppiamento con la turbina e comportamento di un gruppo turbogas. Limiti di applicabilità.

1.4. Uso della statistica nello studio delle turbomacchine

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. 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 fra stadi di ventilatore e di compressore.

2.4. Aerodinamica delle schiere: parametri adimensionali di schiera e adimensionalizzazione dei triangoli di velocità; triangoli di velocità, spinta di pala, scambio di lavoro e incremento di pressione; triangoli di velocità, coefficiente di portanza di un profilo in schiera e analogia con il comportamento di un profilo isolato.

2.5. Compressori assiali multistadio: architetture tipiche, 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.

2.6. Flusso bidimensionale negli anuli: equazione dell’equilibrio radiale e principali leggi di vortice; spostamento radiale delle linee di corrente ed effetto della distribuzione radiale delle perdite; impiego nei problemi di progetto e di verifica.

2.7. Criteri per la determinazione del massimo carico palare: andamento del coefficiente di pressione su un profilo in schiera e sua parametrizzazione, legame con la separazione dello strato limite e con l'equazione integrale di von Kármán, criteri di de Haller e del Diffusion Factor.

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

3. Architettura e funzionamento delle turbomacchine operatrici aflusso misto e radiali

3.1. Rappresentazione geometrica delle turbomacchine radiali: sezione meridiana, superficie di flusso interpalare e rappresentazione delle pale e dei triangoli di velocità. Effetto della variazione di raggio su scambio di lavoro e compressione.

3.2. Rotore di macchina operatrice radiale: triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; tipiche geometrie di pala e curva caratteristica; angolo di pala, e scorrimento del flusso all’uscita e relative correlazioni.

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

3.4. Flusso sulla superficie intrapalare: carico palare e disegno della pala.

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.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Per la preparazione dell'esame:

• dispense dell'insegnamento a cura del docente e altro materiale disponibili sul sito AulaWeb relativo all'anno accademico specifico.

Per approfondimenti:

• 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.

Le dispense dell’insegnamento, disponibili su Aulaweb, costituiscono il materiale didattico di riferimento per la preparazione dell’esame mentre gli altri testi indicati possono essere usati per l’approfondimento di specifici argomenti.

Gli studenti con DSA e gli studenti lavoratori possono contattare il docente per eventuali chiarimenti e per concordare modalità di fruizione del materiale compatibili con le proprie esigenze, nel rispetto degli obiettivi formativi dell'insegnamento.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

ANDREA CATTANEI (Presidente)

MATTEO DELLACASAGRANDE

EDWARD CANEPA (Presidente Supplente)

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/11960/studenti-orario

Orari delle lezioni

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

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

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

Si invitano gli studenti e le studentesse con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali a contattare il docente prima dell’inizio delle lezioni per concordare modalità didattiche che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi.

Inoltre, l’eventuale richiesta di misure compensative e/o dispensative da adottare per l’esame dovrà essere predisposta usando il modulo al seguente link https://modulionline.unige.it/richiesta-adattamenti#no-back e dovrà quindi essere inviata al docente dell'insegnamento, al referente DIME (federico.scarpa@unige.it) e al Settore servizi per l‘inclusione degli studenti con disabilità e con DSA (inclusione.studenti@info.unige.it) almeno sette giorni lavorativi prima della prova, come da linee guida presenti al link https://unige.it/disabilita-dsa/richiesta-servizi.

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

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