ALMA MATER STUDIORUM UNIVERSITA DI BOLOGNA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA MECCANICA STUDIO ED OTTIMIZZAZIONE DI UNO STATORE A GEOMETRIA VARIABILE PER UNA MICROTURBINA BASATA SU COMPONENTI COMMERCIALI Anno accademico 2008/09 III Sessione CANDIDATO Andrea Pieggi RELATORE Prof.Ing. Luca Piancastelli
OBIETTIVI DELLA TRATTAZIONE Ottimizzazione dello statore della turbina di un gruppo turbogas per applicazione aeronautica allo scopo di ottenere prestazioni migliori in termini di spinta Studio di un palettamento statorico a geometria variabile Mantenimento di una girante di tipo commerciale indicata dal costruttore Contenimento delle dimensioni e delle masse
SVOLGIMENTO Acquisizione di dati sulla microturbina esistente. Elaborazione di un foglio di calcolo Excel per lo studio dei triangoli di velocità della turbina esistente e per la ricerca di un angolo ottimale della palettatura statorica. Calcolo delle perdite energetiche per urto dovute ad un angolo di incidenza non ottimizzato. Implementazione del foglio di calcolo per lo studio e l ottimizzazione della nuova turbina. Studio e modellazione CAD di uno statore a geometria variabile. Dimensionamento di massima dell ugello di scarico per la nuova turbina.
Rilievo di dati sperimentali sul Turbogas esistente Sono state effettuate delle misurazioni della temperatura di uscita dalla turbina e della spinta fornita dal propulsore a diverse velocità di rotazione. Le prove sono state eseguite impiegando le seguenti giranti: compressore Holset 3534650 trimmato e turbina Holset 3532197
Calcolo dell angolo ottimale della palettatura statorica e delle perdite per urto sulla turbina esistente 1 opt arctg 2 0,63 u Z c m1 Perdite energetiche dovute ad incidenza diversa da quella ottima: w 2 2 1 2 Rs sen 11 opt 1 Inclinazione del condotto interpalare dello statore: 1 1opt 43,7 37,7 Velocità assoluta del fluido in uscita dalla turbina: c c 4 288 m / s 4new 300 m / s +4%
Studio dello statore a geometria variabile Ottimizzazione dell angolo di imbocco del palettamento mobile anche ai regimi intermedi T m 1opt n [rpm] Spinta [N] 4 [K] [kg/s] 45000 43 697 0,54 31,2 61000 100 721 0,73 32,7 82000 275 803 0,99 34,3 93000 427 903 1,12 37,7 Possibilità di regolare l ingresso nella girante anche per condizioni ambientali di temperatura e pressione diverse da quelle di progetto Possibilità di trovare le condizioni di imbocco ottimale in caso di sostituzione della girante
Modellazione CAD dello statore a geometria variabile Rotazione simultanea delle palette statoriche tramite un anello di attuazione coassiale con la turbina Zona di imbocco maggiormente raccordata Introduzione di profili aerodinamici simmetrici NACA per le palette (NACA 0008)
Modellazione CAD dello statore a geometria variabile (disegno complessivo) Complessivo Vista di sezione D D D e _ imbocco ing _ girante usc _ girante 229mm 111mm 97mm
Dimensionamento di massima dell ugello di scarico Ugello subsonico (semplicemente convergente) Flusso isoentropico e stazionario Sezione di ingresso dell ugello coincidente con la sezione di uscita della girante della turbina c A c A 4 4 4 g g g c 0,9c 521 m / s g Dg s 71mm Incremento della spinta F 427N F new 583N +36%
CONCLUSIONI L ottimizzazione dell angolo di ingresso nella girante permette di ottenere un miglior funzionamento globale della turbina e un incremento delle prestazioni. L introduzione di uno statore a geometria variabile appare vantaggiosa. La modellazione proposta della zona di imbocco dello statore migliora l ingresso del flusso di gas, ma aumenta l ingombro radiale; uno sviluppo futuro potrebbe essere quello di ricercare un compromesso ottimale fra dimensioni e rendimento. Il dimensionamento dell ugello di scarico risulta determinante per ottenere la spinta voluta.
Grazie per l attenzione.