PRESENTAZIONE

L’insegnamento approfondisce architettura e funzionamento sulle macchine a fluido operatrici e fornisce solide basi teoriche per la loro la scelta, la loro installazione e il loro esercizio.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

L'insegnamento si propone di fornire le conoscenze fondamentali per la comprensione del funzionamento delle macchine a fluido operatrici e dell’influenza del tipo di fluido e degli aspetti strutturali ed economici sull’architettura della macchina stessa

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 macchine a fluido, 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;

• con specifico riferimento a pompe e compressori volumetrici, alternativi e rotativi, una conoscenza di base del funzionamento e dei principali motivi di scostamento dal comportamento ideale

PREREQUISITI

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

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni teoriche e applicative.
All’inizio delle lezioni, 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), al fine di concordare eventuali modalità didattiche e di esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali.

PROGRAMMA/CONTENUTO

1. Richiami di fluidodinamica e di termodinamica

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.

1.2. Equazioni di bilancio monodimensionali per lo studio delle macchine a fluido

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. 

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 profili alari e macchine a fluido: numeri di Mach e Reynolds; coefficiente di pressione e 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 e stallo; 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, stallo e choking; accoppiamento con la turbina e comportamento di un gruppo turbogas.

1.4. Uso della statistica nello studio delle macchine a fluido

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

2. Applicazioni tipiche delle equazioni di bilancio

2.1. Caso incomprimibile

Pompa in circuito fra serbatoi. Catena dei rendimenti di un ventilatore. Applicazioni dell’equazione della quantità di moto a ugelli e sistemi propulsivi. Spinta e rendimento di propulsione. 

2.2. Caso comprimibile

Controrecupero nella compressione. Rendimento adiabatico, politropico e isotermo. Equazioni di de Saint Venant e di Hugoniot, curva caratteristica di un ugello. Moto di Rayleigh: effetto dello scambio termico sull’andamento delle principali grandezze fluidodinamiche e termodinamiche e applicazioni ai combustori.

3. Le turbomacchine operatrici (compressori, soffianti, ventilatori e pompe, assiali e radiali)

3.1. Architettura e funzionamento delle turbomacchine operatrici assiali

Rappresentazione geometrica delle turbomacchine assiali: sezioni meridiana e interpalare cilindrica. Rappresentazione delle pale e dei triangoli di velocità. Funzione del rotore e dello statore nelle macchine mono e multistadio. Aerodinamica delle schiere: parametri adimensionali, triangoli di velocità, spinta di pala, scambio di lavoro e incremento di pressione. Compressori assiali multistadio: architetture tipiche, distribuzione dello scambio di lavoro, del rapporto di compressione e del grado di reazione. Flusso bidimensionale negli anuli: equazione dell’equilibrio radiale e principali leggi di vortice. Massimo carico palare: criteri di de Haller e del Diffusion Factor. Vincoli aerodinamici e strutturali sull’altezza di pala.

3.2. Architettura e funzionamento delle turbomacchine operatrici a flusso misto e radiali

Rappresentazione geometrica delle turbomacchine a flusso misto e radiali: sezione meridiana e superficie di flusso interpalare. Rappresentazione delle pale e dei triangoli di velocità. Effetto della variazione di raggio su scambio di lavoro e compressione. 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. Funzione dello statore e della voluta: diffusore palettato e non palettato, triangoli di velocità e variazioni di velocità, pressione ed entalpia; disegno della voluta. Flusso sulla superficie intrapalare: carico palare e disegno della pala. Vincoli aerodinamici e strutturali sulla curvatura e sullo spessore della pala.

4. Le macchine operatrici volumetriche

4.1. Generalità

Macchine alternative e rotative, classificazione, lavoro di compressione e di pulsione, luci e valvole. 

4.2. Pompe volumetriche alternative

Diagramma indicato, scambio di lavoro, portata e potenze medie e istantanee. 

4.2. Compressori volumetrici alternativi

Cause dello scostamento dal comportamento ideale: volume nocivo e sue conseguenze sul funzionamento dei compressori alternativi. Coefficiente di riempimento e sua dipendenza dalle condizioni operative e dal rapporto di compressione.

4.3. Compressione multistadio e interrefrigerazione

Ripartizione del rapporto di compressione fra gli stadi. Interrefrigerazione e sue conseguenze sul lavoro di compressione, sulla temperatura del fluido e sul rendimento complessivo. Condizioni di minimo lavoro.

4.4. Valvole, regolazione della portata e curve caratteristiche

Funzionamento delle valvole automatiche e comandate. Effetto di anticipi e ritardi di apertura e chiusura sul diagramma indicato e sulle prestazioni della macchina. Principali metodi di regolazione della portata nei compressori alternativi e relative conseguenze energetiche. Curve caratteristiche delle pompe e dei compressori volumetrici e limiti operativi.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

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:

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

• L.A. Catalano, M. Napolitano, Elementi di Macchine operatrici a fluido. Pitagora Editrice.

DOCENTI E COMMISSIONI

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/11959/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 con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali a contattare il docente all’inizio del corso per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi. Si rammenta inoltre che la richiesta di misure compensative/dispensative per gli esami dovrà essere inviata, usando il modulo al seguente link

https://modulionline.unige.it/richiesta-adattamenti#no-back,

al docente del corso, al referente DIME (federico.scarpa@unige.it) e al settore (inclusione.studenti@info.unige.it) almeno 7 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.

ALTRE INFORMAZIONI

Rivolgersi al docente per ulteriori informazioni non comprese nella scheda insegnamento.