Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli. Candidato Mirko Montemaggi. Correlatore Ing. Cristina Renzi

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1 Candidato Mirko Montemaggi Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Luca Piancastelli Correlatore Ing. Cristina Renzi

2 Sviluppare un microgeneratore ultracompatto con le seguenti specifiche: Atto ad erogare una potenza utile di 40 kw

3 Sviluppare un microgeneratore ultracompatto con le seguenti specifiche: Atto ad erogare una potenza utile di 40 kw Compressore piccolo e compatto

4 La studio è basato sul catalogo Garrett: Turbina GT60

5 Portate d aria = lbs/min βturbina =

6 La studio è basato sul catalogo Garrett: Turbina GT60 Compressore: GT40 GT42

7 Portate d aria = lbs/min β compressore

8 Portate d aria=20-95 lbs/min β compressore=

9 Ricordando che: è possibile ricavare entrambe imponendo l uguaglianza del numero di Mach ( Chiamiamo N di Mach il rapporto tra la velocità v del fluido in un punto e la velocità del suono (a) in tale punto del campo di flusso ): Visto che la geometria della macchina e le caratteristiche termofisiche del fluido di lavoro sono le stesse ovunque deve seguire che: Un ragionamento analogo lo si può fare imponendo l uguaglianza del numero di Mach per la velocità periferica u:

10 Semplificando i parametri costanti: Surge F K Choking R at

11 Actual Flow = flusso dell aria nel motore EMP = pressione nel collettore dei gas esausti Gas Temp = temperatura dei gas in ingresso nella turbina Baro = pressione barometrica = 14.7 psi EMP = pressione nel collettore dei gas esausti Outlet P = pressione di scarico della turbina = 1 psi Atmos = pressione atmosferica

12 Ipotesi: Portata costante Camera di combustione scambiatore di calore ad alta temperatura Macchine ideali Trasformazione 4-1

13 È stato preso come fluido evolvente nella turbina un fluido FUMI Il fluido è stato considerato come un gas perfetto Δp Camera Combustione = 0.3 bar T 3inTurb = 750 C K η organico = 98% η Carnot = 1 Tmin/Tmax = 71% η Camera Combustione = 95%

14 1. Accoppiamento dinamico: 2. Accoppiamento fluidodinamico: 3. Accoppiamento termodinamico:

15 Scelto il punto A Si conoscono subito: quindi si può calcolare la Potenza assorbita dal compressore.

16 per questo dalla condizione 2 ci si ricava Manca solamente la radice del rapporto delle temperature che si ricava dalla stessa condizione. Ora si sostituisce quest ultimo valore nella condizione 1 per avere la velocità normalizzata della turbina; con quest ultimo dato si può trovare il rendimento della stessa. Si calcola quindi il lavoro specifico della turbina e successivamente la potenza erogata. Infine si calcola la Potenza Utile come: e il rendimento totale del microgeneratore come:

17 lbs/min = kg/s 1 = = 41 kw = psi

18 R = F = C Δp CameraCombustione = 0.3 bar = 0.3 X 14.7 psi = 4.41 psi p 3inTurbpsi = ( Pout Δp CameraCombustione ) = psi = Pa T 4idK = K

19 T 4,reale,K = K = kj/kg = kw = 22.7 kw 28 %

20 Ora quindi si pone un problema: come si può aumentare la Putile e soddisfare quindi l obiettivo preposto di 40 kw? Per far sì che la Potenza Utile aumenti, bisogna aumentare la Potenza della turbina e per questo si possono seguire 2 strade: Aumentare la T 3 di fine combustione Aumentare la portata massica La prima strada però non è facile da percorrere perché se si aumenta T 3 bisogna poi lavorare sui materiali, o meglio sui metodi di raffreddamento degli stadi della turbina. Quindi si terrà costante la temperatura di entrata in turbina, compatibilmente con i limiti tecnologici della turbina stessa, di 750 C ( K). Per questo si proverà ad aumentare la portata massica del compressore, ricordandosi sempre delle zone limite di pompaggio (surge) e di blocco sonico (choking).

21 lbs/min 2 = kg/s 1 = = kw = 44.1 psi

22 R = F = C Δp CameraCombustione = 0.3 bar = 0.3 X 14.7 psi = 4.41 psi p 3inTurbpsi = ( Pout Δp CameraCombustione ) = psi = Pa T 4idK = K

23 T 4,reale,K = K = kj/kg = kw = 42.6 kw 26 %

24 Prendendo una T3 pari a 1000 C : = 81 kw Configurazione alta quota:

25 Prendendo una T3 pari a 1000 C : = 81 kw Configurazione alta quota: = kw

26 Si è stati costretti ad utilizzare il catalogo Garrett perché è l unica casa costruttrice dalla quale sono facili da reperire le curve caratteristiche; infatti basta effettuare una breve ricerca su internet e si può scaricare gratuitamente il catalogo. Tra le turbine disponibili si è scelta la turbina più grande e il compressore piccolo per avere il micro generatore potente e ultracompatto. Per questo, dopo le varie prove sostenute, si è arrivati alla conclusione che il giusto accoppiamento si può ricavare solo dalla turbina GT60 e il compressore GT42 nella versione da 102mm. Quindi per ottenere una potenza utile di 40 kw è possibile reperire sul mercato sia la turbina che il compressore.

27 Studio della rigenerazione per aumentare i rendimenti. Per avere autosufficienza del gruppo turbogas occorre che P u 0 cosa che all avviamento non è possibile e quindi serve un motore elettrico. dimensionamento del gruppo elettrico.

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