Dottorato di Ricerca in Ingegneria Meccanica e Gestionale

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1 Dottorato di Ricerca in Ingegneria Meccanica e Gestionale Sviluppo di turbomacchine di nuova concezione per la generazione distribuita di energia elettrica Relazione finale secondo anno Gaetano Morgese Tutor Prof. Ing. Bernardo FORTUNATO Prof. Ing. Sergio Mario CAMPOREALE Ing. Marco TORRESI 1

2 ATTIVITA SVOLTE Il dottorando Gaetano Morgese, regolarmente iscritto al secondo anno del dottorato di ricerca in Ingegneria Meccanica e Gestionale XXVII ciclo, presso il Politecnico di Bari, ha svolto la sua attività di ricerca dal 1 Gennaio 2013 al 31 Dicembre 2013 presso il Dipartimento Meccanica, Matematica e Management, Sezione Macchine ed Energetica, sotto la guida dei professori B. Fortunato e S. M. Camporeale e dell Ing. Marco Torresi. In questo periodo ha partecipato a diversi corsi, seminari e conferenze come specificato nella documentazione SAT allegata. Nel corso di tale periodo sono stati prodotti alcuni risultati preliminari circa lo sviluppo di modelli di CFD dedicati alla realizzazione di procedure rapide per la progettazione e l ottimizzazione delle prestazioni di turbine per applicazioni eoliche e aereonautiche. INTRODUZIONE E MOTIVAZIONI Dalla collaborazione tra Politecnico di Bari e GE Avio s.r.l. è nato un laboratorio integrato multidisciplinare, denominato Energy Factory Bari (EFB), per l attuazione di attività di ricerca, sviluppo tecnologico e innovazione nei settori dell aerospazio e dell energia. Obiettivo di questa collaborazione è lo sviluppo di turbomacchine di nuova concezione che prevedono l integrazione di macchine elettriche direct drive direttamente sul rotore (configurazione embedded). Queste possono essere usate per lo sfruttamento dell energia eolica, delle onde, delle correnti marine e di salti entalpici derivanti da gas di scarico di processi industriali. Le macchine elettriche direct drive sono macchine pensate per lavorare ad elevata velocità e di conseguenza necessitano l'adozione di tecnologie che consentono di ottenere efficienze elevate ad elevata frequenza. Il vantaggio essenziale di queste macchine è che a fissata potenza, l'elevata velocità consente di ridurre la coppia comportando una riduzione di pesi e volumi, cui consegue una riduzione delle perdite che comporta minori problemi per quanto riguarda lo smaltimento termico. A causa dell'elevata velocità di funzionamento, queste macchine risultano essere adatte alla configurazione embedded, cioè calettate direttamente sul rotore di una turbomacchina. Questo comporta la possibilità di eliminare la gearbox tra macchina elettrica e turbomacchina e quindi la possibilità di ottenere un sistema molto più compatto e leggero, oltre che più affidabile visto che uno degli organi più delicati (la gearbox) è stata eliminata. All'interno di questo filone di ricerca, sono state sviluppate due possibili applicazioni per una macchina elettrica direct drive embedded: queste sono una turbina assiale monostadio ad azione (Fig. 1) ed una turbina eolica intubata (Fig. 2). 2

3 Figura 1 - Turbina assiale monostadio ad azione Figura 2 - Turbina eolica intubata La turbina assiale ad azione è stata realizzata per sfruttare salti entalpici presenti nei processi industriali e che generalmente vengono dispersi nell'ambiente, quali per esempio laminazioni o energia dei gas di scarico. Su questo lavoro è stato presentato un articolo dal titolo "Design of an Axial Impulse Turbine for Enthalpy Drop Recovery" alla conferenza ASME 2014 di Düsseldorf, attualmente sotto revisione. Tuttavia per motivi di segretezza industriale, su questo argomento si hanno problemi per la pubblicazione di una tesi di dottorato e quindi non sarà questo l'argomento principale del lavoro di tesi. Il lavoro di tesi si concentrerà invece sulla turbina eolica intubata, la quale rende possibile utilizzare in generatore elettrico in configurazione embedded in virtù del condotto che la circonda. Inoltre lo sviluppo di questa macchina rientrerà all'interno di un progetto PON denominato Marine Energy Lab (MEL) finalizzato alla realizzazione di una turbina eolica per applicazioni off-shore. 3

4 EOLICO OFF-SHORE L energia eolica è attualmente una tra le più importanti fonti energetiche rinnovabili (FER). Nel 2012, l industria eolica statunitense ha installato impianti per GW portando la potenza eolica complessivamente installata negli USA a 60 GW [1]. In Italia, la produzione di energia eolica ha raggiunto nel 2011 il valore di 9.8 TWh (pari al 13.4% della produzione elettrica da FER) [2]. Al raggiungimento di questi risultati hanno contribuito, oltre che i regimi di incentivazione, i miglioramenti tecnologici delle turbine di grandi dimensioni, la riduzione dei costi, le tecniche di produzione diventate sempre più efficienti e una maggiore coscienza ambientale. Negli ultimi tempi, però, in particolare in Italia, si riscontra una sempre maggiore opposizione delle comunità locali all installazione di parchi eolici per l impatto che questi comportano sul paesaggio e quindi sull immagine di zone vocate al turismo o alle produzioni agricole. L ulteriore crescita della produzione di energia da fonte eolica è inoltre rallentata dalle carenze delle infrastrutture di trasmissione dell energia elettrica nelle località dove è maggiore l intensità del vento. Queste ragioni motivano l interesse verso la generazione eolica off-shore, in mare aperto e fuori di vista, in modo da non interferire con le attività turistiche e con il paesaggio. Inoltre, poiché in mare aperto i venti soffiano generalmente più forte e in modo più regolare del vento on-shore, le turbine eoliche off-shore funzionano con un capacity factor maggiore rispetto alle turbine eoliche installate a terra. Inoltre, come prevedono alcuni studi condotti negli Stati Uniti dal National Renewable Energy Laboratory [3] i profili di velocità del vento off-shore nel corso delle ore del giorno tendono a corrispondere bene alle ore di alta domanda di energia elettrica, in modo tale che i venti più forti (e quindi a più alto potenziale di generazione di energia) corrispondono alle ore di maggiore richiesta di energia elettrica. Figura 3 - Impianto eolico off-shore Quasi tutti gli impianti eolici off-shore installati fino ad oggi si trovano nei mari del Nord Europa e sono montati su strutture a supporto fisso su profondità del fondo inferiori a 35 metri. Tuttavia, per i paesi attualmente attivi nell industria eolica offshore, il numero di siti idonei disponibili su acque basse (minori di 30 m) è limitato. La maggior parte delle turbine eoliche off-shore sono versioni marinizzate delle turbine eoliche terrestri ad asse orizzontale (HAWT). La torre della turbina è costruita sul basamento di fondazione fissato sul fondo del mare. Le profondità massime dei fondali su cui sono installati gli impianti eolici offshore sono limitate dagli alti costi di realizzazione dei pali di sostegno infissi nel fondale marino. 4

5 Figura 4 - Installazione di una turbina eolica off-shore Gran parte della risorsa globale eolica off-shore è disponibile in aree in cui la profondità è molto maggiore di quella dei siti delle attuali installazioni. Installare turbine eoliche su strutture di supporto galleggianti apre la possibilità di utilizzare le risorse disponibili in acque profonde. Il potenziale economico delle turbine eoliche off-shore galleggianti (Floating Offshore Wind Turbine) è stato dimostrato da Musial et al. [4]. Realizzare questo potenziale, tuttavia, richiede di progettare turbine eoliche galleggianti in grado di competere con le altre fonti energetiche sotto il profilo dei costi. Figura 5 - Esempio di turbine eoliche off-shore su piattaforme galleggianti I principali punti critici di questa tipologia di turbina sono rappresentati dai sistemi di galleggiamento che devono assicurare che la torre mantenga il più possibile l assetto verticale, e che sia possibile orientare la navicella che ospita il rotore e gli apparecchi elettrici di generazione in modo da avere sempre l asse della turbina orientato nella direzione del vento. Il fatto che la spinta esercitata dal vento sia concentrata in cima alla torre e che la maggior parte delle masse del rotore e del generatore siano allocate sulla navicella in cima alla torre, ovvero con un baricentro alto del sistema, rendono complesso e costoso il sistema di galleggiamento idoneo a mantenere l assetto verticale della turbina, e a consentire l allineamento del rotore alla direzione del vento. Una possibile soluzione ai problemi delle turbine eoliche ad asse orizzontale nelle applicazioni off-shore può essere trovata nelle turbine eoliche a flusso confinato (Shrouded Wind Turbine). Queste turbine sono 5

6 caratterizzate dalla presenza di un condotto che circonda il rotore e che consente di accelerare la corrente proprio nella sezione del rotore consentendo un notevole incremento del coefficiente di potenza, C p, riferito all area spazzata dal rotore. I principali vantaggi nelle applicazioni off-shore di questa tipologia di turbina rispetto alle turbine convenzionali sono: o o o o minore sensibilità agli errori di allineamento; riduzione delle perdite di estremità della pala (a vantaggio del rendimento e della potenza prodotta): smorzamento delle fluttuazioni del vento; aumento della velocità angolare in condizioni di funzionamento ottimo, rendendo più agevole l accoppiamento con la macchina elettrica. La carenatura che confina il flusso che investe la turbina e che viene considerata negativamente nelle applicazioni on-shore per l evidente impatto visivo, non rappresenta un problema nelle applicazioni offshore, in quanto è previsto che le turbine vengano allocate a sufficiente distanza dalla costa per risultare non visibili. In più, tale carenatura oltre ad avere una funzione di diffusore, dotata di timoni a forma di vela consentirà di orientare la turbina solidalmente alla piattaforma galleggiante, evitando l impiego di organi meccanici particolarmente costosi e soggetti a possibili guasti. Figura 6 - Concept di una turbina eolica a flusso confinato per applicazioni off-shore sviluppato da Zen Yatch 6

7 Figura 7 - Concept di una turbina eolica a flusso confinato per applicazioni off-shore sviluppato da GE Avio STATO DELL'ARTE La ricerca sulle turbine a flusso confinato è partita dagli anni '50 del 20 secolo, quando i ricercatori cercavano di incrementare le prestazioni delle turbine eoliche. Approfondite ricerche sono state effettuate da De Vries [6], Igra [7] e Foreman [8], [9]. Essi hanno sviluppato diversi modelli di turbine a flusso confinato ed effettuato test sperimentali di queste soluzioni. Tuttavia negli anni '80 si decise che questa tecnologia non era il futuro delle turbine eoliche e quindi il suo sviluppo venne abbandonato. Tuttavia per i motivi esposti in precedenza negli ultimi venti anni, lo sviluppo di questo tipo di macchine è stato ripreso. Da un punto di vista fisico, la presenza del diffusore impone una forza di portanza sul flusso incidente che lo costringe a passare attraverso la turbina; l'incremento della velocità del flusso nella sezione della turbina comporta quindi un aumento del coefficiente di potenza, C P, e di quello di resistenza, C T. Werle [10] in particolare è riuscito a sviluppare una teoria abbastanza semplice a partire dallo studio monodimensionale del tubo di flusso intercettato dalla turbina (Fig. 8) e considerando la turbina come un disco attuatore. Figura 8 - Schematizzazione teorica di una turbina eolica a flusso confinato Applicando le leggi di conservazione della massa, della quantità di moto e dell'energia è possibile esprimere i parametri caratteristici della turbina in funzione del coefficiente di induzione assiale, che dipende dal 7

8 rapporto tra la velocità in uscita dal diffusore e la velocità del flusso indisturbato, secondo la seguente legge: e la forza che il diffusore esercita sul flusso, F S, mediante il coefficiente di forza del diffusore, C S, definito come: In questo modo i parametri caratteristici diventano: ( ) ( ) ( ) ( )( ) Sulla base di questa teoria Werle è riuscito a dimostrare come le turbine a flusso confinato risultino avere delle prestazioni notevolmente superiori alle turbine eoliche tradizionali (Fig. 9). Tuttavia il miglioramento delle prestazioni della turbina dipende dal coefficiente di forza del diffusore che è funzione della geometria del diffusore stesso. Figura 9 - Confronto tra le prestazioni di una turbina eolica tradizionale con una a flusso confinato OBIETTIVI Per tanto gli obiettivi di questo lavoro sono essenzialmente legati all'ottenimento della forma del diffusore in modo da ottimizzare le prestazioni della turbina sia in termini di coefficiente di potenza che in termini di coefficiente di resistenza. A tal fine si vuole sviluppare un software, scritto in ambiente MATLAB, capace di studiare le prestazioni di turbine eoliche a flusso confinato, ovvero capace di studiare l'interazione tra rotore e diffusore. Dato che nel processo di ottimizzazione devono essere valutate un numero sufficientemente elevato di configurazioni, la principale caratteristica richiesta al software è il basso costo computazionale. Per questo motivo lo studio del flusso attorno al diffusore verrà valutato utilizzando il 8

9 "Vortex Panel Method" che storicamente si è dimostrato essere robusto, affidabile e sufficientemente rapido. IL METODO DEI PANNELLI Il Metodo dei Pannelli rappresenta un potente approccio per il calcolo della distribuzione di pressione attorno ad un profilo alare: esso effettua un calcolo potenziale della distribuzione di pressione sul un profilo alare di qualsiasi forma, basandosi sulla suddivisione del profilo in tanti tratti (detti, appunto, pannelli ) sui quali vengono distribuiti vortici, sorgenti e/o doppiette; a seconda del tipo di singolarità utilizzata si distinguono diversi tipi di metodi dei pannelli. Una delle più importanti virtù del metodo dei pannelli è il suo vasto campo di utilizzo. L idea di fondo alla base del metodo dei pannelli è quella secondo cui la velocità in un punto qualsiasi dello spazio è data dalla somma (secondo il principio di sovrapposizione degli effetti) di flussi potenziali piani semplici generati dalle singolarità dette in precedenza distribuite lungo il profilo alare sotto analisi. Il metodo dei pannelli, date le sue caratteristiche, è stato molto utilizzato tra gli anni '60 e '80. In questo periodo sono stati realizzati diversi software ([12], [13], [14], [15], [16]) per lo studio di flussi potenziali sia in due che in tre dimensioni e con geometrie anche molto complesse. Negli anni '90 queste tecniche sono state soppiantate dalle simulazioni CFD capaci di effettuare dei calcoli molto più accurate e con geometrie molto complesse. Attualmente il metodo dei pannelli sta tornano di moda se utilizzato all'interno di algoritmi di ottimizzazione data la sua principale caratteristica, ovvero il basso costo computazionale e anche per lo studio delle turbine eoliche [17], [18]. Nonostante il vasto impiego di questa metodologia, non è stato trovato un software in grado di studiare una turbina a flusso confinato e di conseguenza è sorta la necessità di realizzare un software ad hoc. IMPLEMENTAZIONE E RISULTATI La realizzazione di questo software si articolerà nelle seguenti fasi: 1. Corpi di rivoluzione: studio del flusso attorno al mozzo della turbina 2. Anello: studio del flusso intorno al diffusore 3. Corpo di rivoluzione + Anello: studio dell interazione tra mozzo e diffusore 4. Modello Non-free vortex : studio dell interazione tra turbina, diffusore e mozzo; la turbina è rimpiazzata da un numero finito di vortici cilindrici 5. Algoritmo di ottimizzazione: ottimizzare la forma del diffusore in modo da massimizzare le prestazioni della turbina 6. Verifica dei risultati mediante simulazione CFD Attualmente sono state implementate le prime tre fasi e per ciascuna di queste fasi sono stati valutati dei casi studio, finalizzati alla verifica del modello. 9

10 Il primo caso studio utilizzato per verificare la prima fase del lavoro è stata la sfera (Fig. 10); questo corpo perché di una sfera è nota la soluzione esatta e quindi si ha un parametro di confronto esatto. La sfera è stata discretizzata utilizzando 50 pannelli; come si evince dalla Fig. 11 vi è un perfetto accordo tra la soluzione esatta e la soluzione ottenuta con il metodo dei pannelli. La bontà della soluzione ottenuta con il metodo dei pannelli è confermata dai coefficienti di portanza e resistenza che risultano entrambi nulli, come ci si aspetta dallo studio teorico. Figura 10 - Sfera Figura 11 - Confronto tra la soluzione esatta e quella ottenuta con il metodo dei pannelli nel caso di una sfera Questa prima fase è stata verificata utilizzando anche una geometria più complessa, costituita da una semisfera, un cilindro e un cono (Fig. 12), di cui erano disponibili i dati sperimentali [19]. Anche in questo caso, come si evince dalla Fig. 13, vi è un buon accordo tra i risultati sperimentali e quelli ottenuti con il metodo dei pannelli. Tuttavia in questo caso il CD calcolato con il metodo dei pannelli, contrariamente alle attese, risulta essere diverso da 0, e precisamente pari a

11 Figura 12 - Corpo di rivoluzione Figura 13 - Confronto tra risultati sperimentali e risultati ottenuti con il metodo dei pannelli per un corpo di rivoluzione Il coefficiente di resistenza calcolato integrando il campo di pressione attorno al profilo è un'indicazione dell'errore dello schema numerico ed è essenzialmente collegato alla distribuzione dei pannelli sul profilo. In genere è raccomandabile concentrare i pannelli dove il flusso o la geometria cambiano rapidamente. In effetti se i pannelli sul profilo assegnato vengono ridistribuiti secondo questa regola, come in Fig. 14, il coefficiente di resistenza si riduce di circa 5 volte, arrivando ad un valore pari a 4.454e-5. Figura 14 - Ridistribuzione dei punti sul profilo Inoltre al tendere all'infinito del numero di pannelli, il coefficiente di resistenza deve tendere a 0 come mostrato in Fig

12 Figura 15 - Variazione del coefficiente di resistenza al variare del numero di pannelli La seconda fase dell'implementazione del modello è stata testata mediante l'utilizzo di cowling per applicazioni aeronautiche, le cui geometrie e dati sperimentali sono stati trovati in letteratura [20] (Fig. 16). Anche in questo caso, come si evince dalla Fig. 17, i risultati ottenuti con il metodo dei pannelli sono molto simili a quelli ottenuti sperimentalmente, specialmente per quanto riguarda il bordo inferiore. La differenza sul bordo superiore è spiegabile col fatto che nel set-up sperimentali gli autori prevedono l'inserzione di un elemento cilindrico all'interno del cowling, di cui però non riportano alcuna informazione, ma che provoca un'accelerazione della corrente con conseguente riduzione del coefficiente di pressione. Figura 16 - Geometria del cowling testato 12

13 Figura 17 - Confronto tra i dati sperimentali e i risultati del metodo dei pannelli nel caso di cowling Anche in questo caso il coefficiente di resistenza risulta essere diverso da 0, e in particolare pari a , tuttavia in questo caso non è stato possibile eseguire uno studio circa l'influenza della distribuzione dei pannelli perché, data la scarsezza dei punti iniziali, non si è riusciti a ricostruire il profilo in maniera ottimale, anche utilizzando tecniche di smoothing. Per verificare la terza fase dell'implementazione del modello, è stato analizzato il caso ottenuto facendo interagire le geometrie di corpo centrale e cowling (Fig. 18), fin qui viste e analizzate in precedenza separatamente. In questo caso tuttavia non avendo a disposizione risultati sperimentali, il confronto è stato fatto con una simulazione CFD. Il confronto è stato fatto cercando di mettersi a parità di condizioni; per questo motivo la simulazione è 2D assial-simmetrica non viscosa, e in più i corpi sono stati discretizzati con lo stesso numero di elementi utilizzati per il metodo dei pannelli. Figura 18 - Geometria testata unendo un corpo centrale ad un cowling Come risulta dalle Fig. 19 e 20, anche in questo caso i risultati ottenuti con i due diversi metodi risultano in buon accordo. Tuttavia dall'analisi dei coefficienti di resistenza mostrati in Tab. 1, il metodo dei pannelli risulta essere meno accurato, in quanto il coefficiente di resistenza assume dei valori più elevati rispetto 13

14 alla simulazione CFD. Va tuttavia considerato il fatto che l'accuratezza del metodo dei pannelli può essere migliorata distribuendo meglio i punti sul profilo, operazione che non è stata fatta dati i problemi detti in precedenza in merito alla ricostruzione del profilo del cowling. Figura 19 - Confronto tra metodo dei pannelli e simulazione CFD per il cowling Figura 20 - Confronto tra metodo dei pannelli e simulazione CFD per il cowling Tabella 1 - Confronto dei coefficienti di resistenza ottenuti con il metodo dei pannelli e con la simulazione CFD C D HUB C D COWL Vortex Panel Method CFD Simulation, 1 st order CFD Simulation, 2 nd order SVILUPPI FUTURI Alla luce del lavoro fin qui svolto e dei promettenti risultati ottenuti, l attività del prossimo anno sarà basata sul completamento dello sviluppo del modello per lo studio delle turbine eoliche a flusso confinato. In 14

15 particolare verranno implementati il metodo "non-free vortex" per lo studio dell'interazione della turbina con il diffusore e il suo mozzo, e dell'algoritmo di ottimizzazione per del definizione della forma ottimale del diffusore. Infine i risultati ottenuti con questo modello verranno confrontati con le simulazioni CFD per verificare la bontà del modello. Bibliografia [1] AWEA U.S. Wind Industry Fourth Quarter 2012 Market Report [2] Statistical data on electricity in Italy , TERNA note of Synthesis, [3] W. Musial, R. Thresher, B. Ram. Large Scale Offshore Wind Energy for the United States: Assessment of Opportunities and Barriers. CO, Golden: National Renewable Energy Laboratory, [4] A. Zanon, A vortex panel method for VAWT in dynamic stall, Tesi di Dottorato in Tecnologie Chimiche ed Energetiche presso l Università degli Studi di Udine [5] Musial, W., Butterfield, S., Boone, A., Feasibility of Floating Platform Systems for Wind Turbines, January 23rd ASME Wind Energy Symposium Reno, Nevada January 5 8, 2004 [6] Fluid Dynamic Aspects of Wind Energy conversion. Vries, O. de. 1979, AGARDograph 243. [7] Research and Development for Shrouded Wind Turbines. Igra, O. 1981, Energy conversion & Management, 21: [8] Preliminary Design and Economic Investigations of Diffuser Augmented Wind Turbines DAWT. Foreman, K.M. [ed.] Research Department Grumman Aerospace. New York : s.n., 1981 [9] Experiments With a Diffuser Augmented Wind Turbine. Foreman, K.M. and Gilbert, B.L. [ed.] Grumman Aerospace. 105, 1983, Journal of Energy Resources Technology, pp [10] Werle, M. J., Presz, W. J., Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited [11] Rubbert, Paul and Saaris, Gary, "Review and Evaluation of a Three-Dimensional Lifting Potential Flow Analysis Method for Arbitrary Configurations," AIAA paper , presented at the AIAA 10th Aerospace Sciences Meeting, San Diego California, January [12] Eppler, R.; Somers, D. M., "A Computer Program for the Design and Analysis of Low-Speed Airfoils," NASA TM-80210, [13] Drela, Mark, "XFOIL: An Analysis and Design System for Low Reynolds Number Airfoils," in Springer- Verlag Lecture Notes in Engineering, No. 54, [14] Carmichael, R. and Erickson, L.L., "PAN AIR - A Higher Order Panel Method for Predicting Subsonic or Supersonic Linear Potential Flows About Arbitrary Configurations," AIAA paper , presented at the AIAA 14th Fluid and Plasma Dynamics Conference, Palo Alto California, June [15] Youngren, H.H., Bouchard, E.E., Coopersmith, R.M. and Miranda, L.R., "Comparison of Panel Method Formulations and its Influence on the Development of QUADPAN, an Advanced Low Order Method," AIAA 15

16 paper , presented at the AIAA Applied Aerodynamics Conference, Danvers, Massachusetts, July [16] Bristow, D.R., "Development of Panel Methods for Subsonic Analysis and Design," NASA CR-3234, [17] Marten, D., Wendler, J., QBlade Guidelines, 2013 [18] A. Zanon, A vortex panel method for VAWT in dynamic stall, Tesi di Dottorato in Tecnologie Chimiche ed Energetiche presso l Università degli Studi di Udine 16

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