Turbomacchine Radiali -Compressori Centrifughi -Turbine Centripete

Transcript

1 Turbomahine Radiali -Compressori Centrifughi -Turbine Centripete Testi di Riferimento Cumpsty, N.A. Compressor Aerodynamis, ISBN Japikse, D. Centrifugal Compressor Design and Performane, ISBN Caputo, C. Le Turbomahine, ISBN Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Pagina

2 Sommario Argomenti: Compressori entrifughi singolo stadio e multistadio Giranti entrifughe, aratteristihe, urve di funzionamento Diffusori, aratteristihe, urve di funzionamento Turbine entripete Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Pagina

3 Compressori Centrifughi I ompressori entrifughi trovano ampio utilizzo in un vasto ampo di appliazioni, dagli impianti di proesso ai motori aeronautii. La prinipale differenza geometria rispetto ai ompressori assiali è data dallo sviluppo prevalentemente radiale della girante. Da un punto di vista funzionale, i ompressori entrifughi sono in grado di sviluppare un maggior rapporto di ompressione per stadio 5-6: (fino a 8: nei ompressori aeronautii) a fronte di un più basso rendimento (80-85%). Il maggior ingombro radiale determina un minor rapporto di portata elaborata per area frontale Sono utilizzati sia in onfigurazione singolo stadio he multistadio. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 3 Pagina 3

4 Compressori Centrifughi Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 4 Pagina 4

5 Compressori Centrifughi Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 5 Pagina 5

6 Compressori Centrifughi Il minor rendimento aerodinamio delle palettature è dovuto a: -basso aspet ratio -elevata estensione delle pale sia rotorihe he statorihe (alto valore della superfiie bagnata) Tale irostanza non ompromette il rendimento effettivo della mahina a ausa del ontributo energetio fornito dagli effetti entrifughi (variazione di raggio) il quale, ome disusso, non è assoiato a perdite. La struttura del flusso in usita dalle giranti entrifughe è in genere molto disuniforme può essere studiato on modelli semplifiati; ad esempio faendo riferimento alla teoria del getto e della sia (jet/wake). Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 6 Pagina 6

7 Compressori entrifughi singolo stadio Componenti prinipali Uno stadio di ompressore entrifugo è generalmente omposto da: un ondotto di aspirazione dalla girante (impeller) daundiffusoreradiale(diffuser) da una voluta di sario (disharge volute). La parte iniziale della girante, a sviluppo assiale, è denominata induer. Talvolta sono presenti vani direttori in ingresso (IGV). Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 7 Pagina 7

8 Compressori entrifughi multistadio In molte appliazioni (p.e. nei proessi di sintesi, nella ompressione e re-iniezione di gas naturale) i ompressori entrifughi sono impiegati in onfigurazione multistadio. Multistadio on disposizione su un albero Il fluido è onvogliato nel primo stadio da una voluta di ingresso (inlet volute) mentre una voluta di sario estrae il flusso dall ultimo stadio. Stadi suessivi sono ollegati tramite un anale di ritorno (return hannel), di solito palettato. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 8 Pagina 8

9 Compressori entrifughi multistadio Multistadio plurialbero (in parallelo) Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 9 Pagina 9

10 Giranti entrifughe Lo sviluppo asso-radiale della girante dipende dal valore del oeffiiente di flusso per ui è stata progettata. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 0 Pagina 0

11 Giranti entrifughe Le giranti possono essere hiuse (shrouded) o aperte (unshrouded). Le giranti hiuse hanno minori problemi di vibrazioni ed un maggior rendimento aerodinamio. Le giranti aperte sono più semplii da lavorare, hanno una massa minore e possono sopportare veloità periferihe superiori. Girante hiusa Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Girante aperta Pagina

12 Giranti entrifughe Triangolo di veloità in ingresso alla girante Il flusso in ingresso ( ) ha una omponente tangenziale generalmente nulla o di basso valore (α <0 ). i =β b -β inidenza U veloità di trasinamento in ingresso β b β angolo di metallo angolo relativo in ingresso w veloità assoluta angolo direzione vel. Assoluta ingresso veloità relativa >0; Pre-rotazione del flusso in ingresso per la presenza di un IGV (Inlet Guide Vane) Altrimenti =0 Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Pagina

13 Giranti entrifughe Triangolo di veloità allo sario della girante Per ragioni di stabilità di funzionamento, le giranti vengono generalmente ostruite on pale all indietro bakswept impeller (β b = ). Se il flusso all usita fosse perfettamente guidato (numero infinito di pale) la veloità relativa in usita avrebbe la direzione dell angolo del metallo (β b ). Nella realtà, il flusso non riese a seguire perfettamente la pala ed ese on una deviazione (slip) diversa rispetto alla direzione geometria (β >β b ). La omponente tangenziale della veloità assoluta in usita è minore di quella teoria. Tale differenza è hiamata veloità di slittamento (slip veloity): slip = θ - θ Si definise slip fator il rapporto fra la omponente tangenziale della veloità assoluta ed il suo valore teorio: σ= θ / θ slip fator (<) Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 3 Pagina 3

14 Giranti entrifughe Una delle prime espressioni per la stima della slip veloity fu data da Stodola. Hp. La veloity slip è alolata ome il prodotto fra la veloità di rotazione () e il raggio del vortie he può essere isritto nel anale d s Posto il numero di vani pari a Z si possono esprimere i due fattori ome: d r Z ' os ; e U r Quindi: U os Z ' s Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 4 Pagina 4

15 Pag. 5 Corso di Mahine A.A. 0 3 Giranti entrifughe Stima della slip veloity modello di Stodola. Considerato he: ' ' tan r U Si ottiene l espressione dello slip fator seondo Stodola: ' ' ' ' tan r s s U ' s E sostituendo l espressione per e s ' ' ; tan os / U Z r ' Pagina 5

16 Giranti entrifughe La riduzione della omponente tangenziale di veloità assoluta in usita nel aso reale rispetto a quello ideale omporta un minor lavoro svolto dalla girante sul fluido. Infatti, supponendo trasurabile la veloità tangenziale in ingresso: h 0 =u -u u =u σ θ θ =u - r tg β b h 0= σu (u - r tg β b ) tg b La urva aratteristia - della girante differise da quella teoria on infinite pale, he si avrebbe on Z tendente all infinito: =. Lo slip fator determina una riduzione della prevalenza teoria, ma non è di per sé una fonte di perdita. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 6 Pagina 6

17 Giranti entrifughe Curve aratteristihe: h 0= σu (u - r tg β b ) Considerato he: Si ottiene: Caratteristia Ideale H t Ht A B Q tg b h 0 H ; Q r r b ; U r g A B Q tg H tz b b > 0 - pale in avanti, verso b onorde on pale diritte H tz b =0 - pale dritte H t = H tz = La urva aratteristia tz - (H tz -Q) (teoria on numero finito Z di pale) della girante differise da quella teoria on infinite pale, fattore di sala =. Lo slip fator determina una riduzione della prevalenza teoria, ma non è di per sé una fonte di perdita. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 7 Q b < 0 - pale all indietro, verso b disorde on pale indietro Pagina 7 pale in avanti

18 La aratteristia Reale Giranti entrifughe H r H tz H Numero finito di pale (H tz ) e fenomeni di perdita (H p ) Attrito (perdite di profilo) - proporzionali al quadrato della veloità/portata p Per ogni valore di portata Q Perdite dovute alla presenza di ostaoli (pale) e inidenza, minimie per Q= Q * (H p ) Infine si ottiene: H p = H tz = H r = H tz b < 0 Pale all indietro Q i H H r tz ; rendimento interno della mahina Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 8 Pagina 8

19 Giranti Centrifughe Curve aratteristihe di un ompressore entrifugo Curve aratteristihe on diffusore -D Curve aratteristihe on diffusore 3-D Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 9 Pagina 9

20 Giranti entrifughe per appliazioni industriali Caratteristihe: Sviluppo prevalentemente radiale (spesso senza induer) Pale ilindrihe Giranti hiuse Alto baksweep Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 0 Pagina 0

21 Giranti entrifughe per turbogas Caratteristihe: Giranti aperte Presenza di Induer Pale a sviluppo tridimensionale Splitter (onsentono un miglioramento dell effiienza aerodinamia, aumento della portata smaltita) Splitter blades Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Pagina

22 Diffusore Il diffusore ha il ompito di onvertire l energia inetia in usita alla girante in energia di pressione. Ci sono tre tipi di diffusore: Diffusore lisio (vaneless diffuser) Diffusore palettato (vaned diffuser) Diffusore a tubo (pipe diffuser) A sua volta i diffusori palettati si dividono in due ategorie: Diffusore a shiera (asade diffuser) Diffusore a forma di uneo (wedge diffuser) Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. Pagina

23 Diffusore Le prestazioni dei diffusori si valutano attraverso due oeffiienti: Considerando le sezioni e 3 in figura p p p p p p p p p 03 Coeffiiente di reupero Coeffiiente di perdita 3 Con: p p 0 p 3 p 03 pressione statia ingresso diffusore pressione totale ingresso diffusore pressione statia usita diffusore pressione totale usita diffusore Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 3 Pagina 3

24 Le urve di prestazione dei diffusori sono di solito riportate in funzione dell angolo del flusso in ingresso rispetto alla direzione tangenziale Diffusore Inlet Flow angle p p 0 0 p p 03 p p p 3 0 p p Curva del oeffiiente di perdita Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 4 Curva del oeffiiente di reupero Pagina 4

25 Diffusore lisio Il diffusore lisio è ostituito da una amera anulare le ui pareti laterali sono quelle della assa della mahina. Il diffusore può essere a pareti parallele o on restringimenti in direzione assiale (altezza del anale), (pinh). b=altezza del anale b =altezza anale usita girante Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 5 Pagina 5

26 Diffusore lisio Non essendo il fluido guidato si stabilise un vortie libero he, in assenza di omponente assiale di veloità, segue la legge rost. Dalla onservazione della portata in massa: m=ρ r rb riaviamo he: portata massia Trasurando gli effetti di omprimibilità e per diffusore ad altezza ostante: r r r In definitiva l angolo risulta ostante ed il fluido segue una traiettoria a spirale Logaritmia b tg K m r r r rb rb ost Trasurando gli attriti nel diffusore, si ha he il momento della quantità di moto è ostante ost r Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 6 Pagina 6

27 Diffusore palettato I diffusori palettati sono utilizzati per fornire un reupero di pressione più effiiente. Teniamente vengono realizzati disponendo una shiera radiale (asade d.) o una serie di unei (wedge d.) fra le due fae del diffusore piano. Casade diffuser Wedge diffuser Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 7 Pagina 7

28 Diffusori lisi: Confronto tra diffusore lisio e palettato I diffusori lisi hanno un ampo di funzionamento ampio ma una effiienza più bassa a ausa della lunga traiettoria perorsa dal fluido (spirale) he omporta alte perdite per attrito. Inoltre, al diminuire della portata, le traiettorie si allungano ( aumenta). In tali ondizioni e on bassa energia inetia del flusso, si avrà più failmente la separazione dello strato limite sulle pareti del diffusore (pinh). Diffusori palettati: Il diffusore palettato, a fronte di un maggior onere ostruttivo, permette una più rapida variazione della veloità on il raggio, assiurando nel ontempo un flusso più regolare on perdite di attrito minori. Risulta pertanto essere più ompatto ed avere una maggiore effiienza. E però più sensibile alle variazioni di portata poihé al variare della direzione della veloità in usita girante si hanno effetti di inidenza sul bordo di attao. Ha periò un ampo di funzionamento più ristretto rispetto al diffusore lisio. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 8 Pagina 8

29 Voluta La voluta ha il ompito di raogliere il fluido in usita dal diffusore e di onvogliarlo verso il ondotto di sario. La sezione della voluta è uniformemente resente (forma a spirale) in modo da mantenere ostante in senso ironferenziale la pressione in usita dalla girante. La sezione trasversale della voluta può avere forme diverse. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 9 Pagina 9

30 Limiti di funzionamento del ompressore Il limite destro della urva di funzionamento è determinato dal raggiungimento della ondizione di hoke da parte della girante o da parte del diffusore (solo nel aso di diffusore palettato). Il limite sinistro della urva è determinato dallo stallo del ompressore. Tale fenomeno he solitamente aompagnato da ampie zone di riirolazione e da fenomeni instazionari può innesarsi sia all interno della girante he del diffusore. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 30 Pagina 30

31 Turbine Centripete U > U ; D > D In generale data la geometria (ingresso radiale e sario assiale) non risulta onveniente la realizzazione di turbine dotate di stadi radiali in serie, osì he la turbina si identifia di solito on lo stadio. Il ondotto rotorio ha un andamento entripetoassiale L andamento delle trasformazioni del fluido non presenta in prinipio variazioni rispetto a quello degli stadi assiali Sulle ondizioni ai vari punti (raggi) ha influenza diretta la variazione della veloità di trasinamento monte valle rotore, vedi diagramma h-s entalpia rotoria Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 3 Pagina 3

32 Turbine Centripete Triangoli di Veloità Naturalmente anhe in questo aso: Se sul piano meridiano, =90, t =0 L u u u u L u u u u os u w os Mette in evidenza il peso di sul lavoro sambiato Introduendo il onetto di grado di reazione nel aso he =90 e r = r si ha: Posto = 0 Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 3 R h h rot stadio h h h stadio stadio statore u u u u Poihé date le ipotesi = r = r e quindi: r u u u Pagina 3

33 Turbine Centripete R h h rot stadio u u u u u Questa relazione mette ben in evidenza l influenza del grado di reazione sulla geometria del rotore (angolo )e si può risrivere nella forma: w os u r R otg Con le ipotesi sopra poste ne onsegue he: u u per per 90; si ha u aros w ; R 0.5 si ha Che orrisponde alla ondizione: r =u R 0 u Risulta quindi he il grado di reazione diminuise al diminuire di (misurato rispetto alla direz. Tangenz.) Ciò trova giustifiazione nel fatto he, a parità di altre ondizioni, aumenta il salto entalpio nello statore a ausa dell aumento della variazione delle sezioni di passaggio e onseguentemente si ha minor salto entalpio a disposizione del rotore. Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 33 Pagina 33

34 Esempi di Mahine on Compressori e Turbine: Miro Turbine a Gas Rotore di ompressore e turbina alettati su albero: rotore del generatore Shema della miroturbina a gas Impianto ompleto di miroturbina a gas Corso di Mahine A.A. 0 3 Pag. 34 Pagina 34