ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA Sede di Bologna TESI DI LAUREA Laboratorio di Cad STUDIO DI MASSIMA DI UNA MICROTURBINA PER PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA CANDIDATO MORETTI GIACOMO RELATORE PROF. ING. LUCA PIANCASTELLI CORRELATORI PROF. ING. GIANNI CALIGIANA PROF. ING. ALFREDO LIVERANI
OBIETTIVO DELLA TRATTAZIONE Valutazione del fluido da usare per smaltire il calore generato dai cuscinetti durante il funzionamento del gruppo turbogas. I fluidi da valutare sono aria e metano.
La microturbina in questione ha funzioni ausiliarie, quindi per il suo funzionamento non è richiesta una particolare esigenza dal punto di vista del rendimento. E alimentata da una bombola di metano alla pressione di 6 bar. Da qui l idea di poter sfruttare il metano per la dissipazione del calore generato dai cuscinetti durante il funzionamento e, nel caso non fosse idoneo, usare aria prelevata dal compressore.
SVOLGIMENTO Acquisizione dati sperimentali di una microturbina esistente. Calcolo delle reazioni sui cuscinetti e ricerca del cuscinetto più sollecitato. Calcolo tramite bilancio di energia termica delle 2 opzioni : aria o metano come fluido di raffreddamento.
Verrà quindi eseguita un analisi differenziale delle 2 situazioni. Nella trattazione dove si usa il metano come fluido di dissipazione si avrà un limite che ci dirà se è possibile o no usare questo gas : -la temperatura d uscita del metano,dopo lo scambio termico, non potrà essere superiore alla temperatura di autoaccensione che è di 650 C. -ovviamente bisognerà rimanere lontano da questa temperatura, per usare il metano si dovranno mantenere valori non superiori ai 400 C.
Calcolo del carico sui cuscinetti Il cuscinetto più sollecitato lo si trova calcolando : Reazioni dovute alla forza peso del gruppo turbina più compressore Reazioni dovute alla forza centrifuga che si genera per dell eccentricità della massa rotante. La struttura è assimilabile in entrambi i casi ad una trave isostatica (carrello-cerniera).
Il carico è a sbalzo e, considerando che la turbina è in acciaio mentre il compressore in alluminio, il baricentro del gruppo cade esternamente al cuscinetto più vicino alla turbina, cuscinetto che ovviamente sarà quello più sollecitato. La reazione totale è formata dalla somma delle 2 reazioni, tuttavia la reazione alla forza peso è trascurabile rispetto alla reazione dovuta alla forza centrifuga.
Metodo di studio del cuscinetto In base ai dati tecnici noti che sono: P ---CARICO SUL CUSCINETTO N --- VELOCITA DI ROTAZIONE µ ---VISCOSITA DEL FLUIDO p m ---PRESSIONE MEDIA T e ---TEMPERATURA DI ALIMENTAZIONE DEL LUBRIFICANTE ρ ---DENSITA DEL LUBRIFICANTE c ---CALORE SPECIFICO DEL LUBRIFICANTE N =N / 60 possiamo trovare il numero di Sommerfeld.
Trovato il numero di Sommerfeld possiamo determinare Coefficiente d Attrito del fluido f Portata di alimentazione del fluido Q s Imponendo che tutto il calore generato durante il funzionamento venga ceduto al fluido, si può trovare la temperatura media di funzionamento tramite l equazione : f*p*π*n *D = (T m -T e )*c*ρ*q s
Alimentando il cuscinetto con il metano alla portata calcolata di 24.6*10-6 m 3 /s si ottiene una temperatura di 720 C, superiore alla temperatura di 650 C e quindi non si è in grado di poterlo usare per la dissipazione del calore generato. Nel caso dell alimentazione con aria, con una portata di 24*10-6 m 3 /s, si raggiunge una temperatura di 1131 C che risulta eccessiva. Si può tuttavia calcolare il bilancio di potenza termica e trovare la portata minima di fluido,nei 2 casi, che raffredda il cuscinetto.
CALCOLO DELLA PORTATA MINIMA DI METANO NECESSARIA AL RAFFREDDAMENTO DEL CUSCINETTO : Calcoliamo ora la potenza termica Pt, note la potenza motore P e il rendimento η = 13%. Pt= P/ η Calcoliamo la portata di metano minima, Pmm Pmm = Pt / c, dove c è il calore specifico del metano Note : Pmc, portata metano cuscinetto Tma = 100 C, temperatura massima ammissibile in uscita dal cusicnetto Tumc, temperatura di uscita del metano dal cuscinetto 720 C Tmi, temperatura d ingresso del metano 50 C
L equazione di bilancio ci dà : (c*tmc)*(pmm+pmc) = (Pmm*Tmi*c) + (Pmc*c*Tucm) Si ottiene una portata di 0.0000471468 kg/m 3 portata massima di alimentazione. inferiore alla La portata che si ottiene è compatibile con le specifiche e pertanto si possono raffreddare i cuscinetti con il metano.
CALCOLO DELLA PORTATA MINIMA D ARIA NECESSARIA AL RAFFREDDAMENTO DEL CUSCINETTO : La potenza P, la potenza termica Pt e il rendimento rimangono quelli precedentemente visti. Calcoliamo la portata di aria minima, Pam Pam = Pt / c, dove c è il calore specifico dell aria Note : Pac = portata d aria cuscinetto Tmauc = 125 C, temperatura massima ammissibile in uscita dal cuscinetto Tuacu, temperatura di uscita dell aria dal cuscinetto 1131 C Tuaco, temperatura di uscita dell aria dal compressore 117 C
L equazione di bilancio ci dà : (c*tmauc)*(pam+pac) = (Pam*Tuacu*c) + (Pac*c*Tuaco) Si ottiene una portata di 0.003018 kg/m 3 inferiore alla portata massima di alimentazione. Anche nel caso dell aria, la portata che si ottiene è compatibile con le specifiche e pertanto la si può usare per raffreddare il cuscinetto.