Appunti di Macchine a fluido

SCELTA DEL NUMERO DI PALE

Pale in numero dispari assicurano un migliore bilanciamento. Ridurre il numero di pale comporta:

• Risparmio dei materiali e sistemi di controllo
• Aumento della velocità di rotazione
• Maggiori esigenze in termini di oscillazioni del rotore rispetto all'asse orizzontale e ortogonale alla direzione del vento. Sono necessari dei sistemi di assorbimento di tali oscillazioni (shock assorber)
• Nel caso di un monopala raggiungo elevate velocità ma è necessario un contrappeso, ho sicuramente molto rumore
• Per rotori multi-pala invece riesco a lavorare con velocità anche molto basse ma risultano inefficienti per elevate velocità del vento (bassa velocità di cut-off)

CONTROLLO E REGOLAZIONE DELLE TURBINE EOLICHE

Modello meccanico: massa rotante ad elevato momento d'inerzia (rotore) + massa rotante (generatore) entrambe collegate dall'albero di rotazione. A questo modello meccanico

sonoapplicate: la coppia aerodinamica sul rotore, la coppia elettromagnetica sul generatore e l'eventuale coppia applicata all'albero dai freni meccanici. Al di sotto della velocità nominale del vento i sistemi di controllo e regolazione agiscono per massimizzare la coppia aerodinamica (e quindi la potenza estratta). Al di sopra della velocità nominale i sistemi di controllo modulano tale coppia per mantenere la velocità di rotazione entro limiti accettabili (per questo la potenza estratta è costante dalla velocità di progetto fino alla velocità di cut-off). TURBINE A VELOCITÀ FISSA e VARIABILE - Le turbine a velocità di rotazione fissa hanno la coppia del generatore che varia in funzione della coppia aerodinamica, l'unico modo per controllare la coppia del generatore (e quindi la potenza in uscita) è regolare la coppia aerodinamica. Non hanno possibilità di controllo attivo della coppia del generatore senon utilizzando dei freni meccanici sull'albero principale oppure connettendo e sconnettendo il generatore dalla rete. Per regolare la coppia aerodinamica si utilizza la variazione del pitch per controllare la potenza prodotta al di sopra della velocità nominale del vento.

• Le turbine a velocità di rotazione variabile hanno la coppia del generatore che può essere variata indipendentemente dalla coppia aerodinamica. La velocità di rotazione può essere controllata agendo sia sulla coppia aerodinamica variando il pitch, sia sulla coppia del generatore mediante un convertitore elettronico di potenza.

Al posto di freni meccanici che possono essere critici quando le dimensioni della macchina risultano imponenti si utilizzano dei freni aerodinamici del tipo flap (come negli aerei) o del tipo turnable tip dove l'estremità della pala ruota e diventa un profilo tozzo aumentando notevolmente la resistenza all'avanzamento.

CLASSIFICAZIONE PER

POTENZA Macro-eolico: 100-5000 kW, sono i parchi eolici con turbine ad asse orizzontale Minieolico: 100-20 kW, utenze industriali con turbine prevalentemente ad asse orizzontale Microeolico: <20 kW, utenze domestiche con configurazioni sia ad asse orizzontale che ad asse verticale. VENTO E MARE Come mai si formano le onde? È legato alle linee di flusso, il vento non è regolare. Se si alza un'onda, si crea un gradiente di pressione con depressione sulla cresta dell'onda. Appena si forma un'irregolarità del pelo libero, avrò una variazione delle linee di flusso con gradienti di pressione. Maggiore il gradiente di pressione e più l'onda viene su. Spostandosi alle montagne, sarà meglio mettere la pala eolica sul crinale di una montagna in quanto la linea di flusso là avrà pressione minima e velocità massima. COMPRESSORI ASSIALI Lavorano con fluidi comprimibili. Sono multistadio e richiedono molta attenzione sia infase di progettazione sia in fase di esercizio. Per avere un buon accoppiamento fra macchina e circuito necessito una curva di funzionamento della prevalenza (ovvero della compressione che riesco a dare) con buona pendenza negativa. All'interno della macchina poi devo essere in grado di accoppiare un numero elevato di stadi. Hanno delle curve di funzionamento molto strette con piccolo campo di lavoro e risentono notevolmente dell'incidenza. Vanno studiate in termini adimensionali secondo le curve caratteristiche. Via via che mi muovo negli stadi, le grandezze totali di riferimento cambiano e quindi anche i coefficienti di flusso e di carico; ovvero cambiano i punti di funzionamento del singolo stadio ma anche dei successivi. Una piccola variazione viene amplificata dagli stadi successivi. Avrò il modo di modificare l'IGVC (Inlet Guide Vane Compressor) ovvero gli statori in ingresso al compressore così da modificare i triangoli di velocità andando acompressori centrifughi hanno svergolatura in relazione alla variazione di altezza e raggio di hub. La svergolatura delle palettature è necessaria per ottimizzare il flusso d'aria e garantire un funzionamento efficiente del compressore. La scelta tra compressori centrifughi e assiali dipende dalle specifiche esigenze dell'applicazione. I compressori centrifughi sono generalmente utilizzati per portate più basse e pressioni più elevate, mentre i compressori assiali sono preferiti per portate più elevate e pressioni più basse. La velocità al tip dei rotori è un parametro importante per valutare le prestazioni del compressore. Aumentando la velocità al tip, si aumenta la portata e la pressione del compressore. Tuttavia, è necessario prestare attenzione alla velocità critica del compressore, al di sopra della quale possono verificarsi fenomeni di instabilità e vibrazioni. In conclusione, la scelta del compressore e la sua configurazione dipendono da diversi fattori, tra cui la portata, la pressione, la potenza richiesta e le specifiche dell'applicazione. È importante considerare attentamente questi fattori per garantire un funzionamento efficiente e affidabile del compressore.

compressori sono molto simili ai profili alari con poca curvatura (non voglio separazione dello strato limite). Con un fan aeronautico ho un ingresso assiale con uscita in partecirconferenziale, avrò una diversa velocità fra hub e tip (equazione dell'equilibrio radiale). Pertanto, avrò un differente grado di reazione andando verso raggi maggiori (maggior salto di pressione = maggior grado di reazione) e dovrò andare quindi a modificare la forma della pala. La solidità della schiera è il rapporto fra corda della singola pala e passo fra due pale; se io ho una schiera con la corda fissata, aumentare le palettature significa guidare meglio il flusso. Altrimenti a parità di numero di palettature aumento la corda delle palettature. Per dare maggiore solidità o allungo la corda dei profili a parità di passo oppure a parità di corda diminuisco il passo fra le pale. Importante è anche l'evoluzione

dell'aspect ratio che è andato a diminuire, ovvero ho fatto pale con minor rapporto altezza/corda. Carico e rapporto di compressione sono invece andati ad aumentare con gli anni grazie allo sviluppo delle conoscenze fluidodinamica. Palettature con tali caratteristiche geometriche consentono un maggior controllo dello sviluppo dello strato limite su cassa e mozzo e quindi consentono di aumentare il carico senza penalizzazioni sul rendimento. Noi abbiamo imparato prima a fare le ali muovendosi con motori alternativi e poi ci siamo posti il problema di utilizzare le conoscenze sulle ali per perfezionare i motori dinamici attraverso lo sviluppo delle palettature. Siamo partiti da una palettatura snella. Nel compressore abbiamo due tipologie di strato limite, quello attorno alla palettatura e quello sugli handle, quindi sul rotore e sulla cassa della nostra macchina. Essendo il flusso che diffonde, questi strati limite sono importanti, il discorso di utilizzare delle palettature snelle.è utilizzare tecniche di controllo del flusso per ottimizzare il funzionamento della macchina. Questo può essere fatto modificando la geometria delle pale o utilizzando dispositivi come i deflettori o gli statori. Inoltre, è importante tenere conto dei fenomeni di attrito e diffusione che influenzano il rendimento del compressore. Infine, è necessario considerare il limite delle perdite di superficie bagnata, al di sotto del quale non è possibile ridurre ulteriormente le perdite.è prendere tale modello ideale come vincolo e cercare di avvicinarsi il più possibile. Non ha senso continuare ad ottimizzare il modello ideale se non riesco ad apportare grossi cambiamenti, devo concentrarmi sul modello reale per cercare di avvicinarmi all'ideale. Il numero di velocità al tip è indice del livello tecnologico del compressore, sia dal punto di vista fluidodinamico sia da un punto di vista materiale. Dagli anni '50 agli anni '80 per esempio il rapporto di compressione è stato raddoppiato utilizzando quasi la metà degli stadi e raggiungendo velocità al tip molto superiori. TRIANGOLI DI VELOCITÀ PER COMPRESSORE ASSIALE Nel singolo stadio ho la solita coppia rotore-statore. Nel rotore si compie una diffusione (decelerazione) del flusso nel piano relativo, quindi, diminuiscono le relative e aumentano le velocità assolute. È con il rotore che varia l'energia del flusso. Nello statore si compie

una diffusione del flusso assoluto per consentire il recupero di pressione e avere una velocità assoluta in uscita dallo stadio pressoché uguale a quella in ingresso per ovvi motivi di ripetibilità degli stadi. In generel'ingresso è assiale per le macchine aeronautiche mentre per quelle ad utilizzo industriale non è mai completamente assiale per la presenza dell'IGV (Inlet Guide Vanes) che forniscono una prerotazione al flusso (regolazione della portata). L'IGV ci permette di regolare meglio la macchina.

Il canale divergente mi permette di aumentare la pressione statica, cedendo tramite il rotore anche energia cinetica aumento la pressione totale. Nello statore vado a ridurre la componente di pressione dinamica in favore della pressione statica mantenendo inalterata la velocità assiale fra stadio e stadio. È da analizzare la diffusione, sto comprimendo e quindi è un problema. Si può analizzare sia nello statore con le

grandezze assolute sia nel rotore con le grandezze relative. La decelerazione del f