Teoria Turbomacchine (con Aeroacustica e Aeromeccanica)

UNIVERSITÀ’ DEGLI STUDI DI FIRENZE

Dipartimento di Ingegneria Industriale

Corso di laurea magistrale in Ingegneria Energetica

TURBOMACCHINE

Prof. Marconcini Michele

Prof. Pacciani Roberto

Prof. Pinelli Lorenzo Rossi Giulio

Matricola 7135574

Anno accademico 2024/2025

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Sommario

1. Fondamenti di Turbomacchine .......................................................................................................................................... 9

1.1. Richiami sui triangoli di velocità e il lavoro euleriano .................................................................................................. 10

1.2. Richiami su grandezze di ristagno ................................................................................................................................ 11

1.3. Richiami sulla nomenclatura della palettatura ............................................................................................................. 13

1.4. Richiami sul carico palare ............................................................................................................................................. 13

1.5. Richiami sullo strato limite e relative grandezze caratteristiche .................................................................................. 15

2. Meccanismi di perdita all’interno di una turbomacchina ...........................................................................................17

2.1. Definizione dei coefficienti di perdita .......................................................................................................................... 18

2.2. Tipologie di perdite nelle turbomacchine .................................................................................................................... 19

2.2.1. Perdite di profilo ....................................................................................................................................... 20

2.2.2. Perdite di miscelamento ........................................................................................................................... 22

2.2.3. Perdite per onde d’urto ............................................................................................................................ 27

2.2.4. Flussi secondari – vortice di passaggio ..................................................................................................... 30

2.2.5. Perdite per trafilamento ........................................................................................................................... 33

3. Compressori Assiali....................................................................................................................................................38

3.1. Parametri geometrici ................................................................................................................................................... 39

3.2. Parametri aerodinamici ................................................................................................................................................ 40

3.3. Effetto della forma delle pale, famiglie di profili .......................................................................................................... 42

3.4. The effect of blade shape – PVD blades ....................................................................................................................... 44

3.5. Limitazioni sul carico palare ......................................................................................................................................... 45

3.6. Selezione dell’incidenza ottimale ................................................................................................................................. 50

3.7. Previsioni sulla deviazione del flusso ........................................................................................................................... 52

3.8. Previsioni sulla perdite ................................................................................................................................................. 53

3.9. Effetti del numero di Reynolds ..................................................................................................................................... 53

3.10. Effetti del numero di Mach in ingresso………………-…………………….…………………………………………………………………………..54

3.11. Axial compressor design…………………………..…………………………………………………………………………………………………………..57

3.12. Studio parametrico del compressore…………..………………………………...……………………………………………………………………..59

3.12.1. Stadio ripetitivo .................................................................................................................................... 60

3.12.2. Flusso in ingresso assiale ...................................................................................................................... 60

3.12.3. Confronto tra stadio ripetitivo e flusso in ingresso assiale .................................................................. 61

3.13. Matching fra stadi in compressori multistadio……………………………………………………………………………………………………….63

3.14. Off-design operation……………………………………………………………………………………………………………………………………………..64

4. Throughflow on the hub-casing surface .....................................................................................................................67

4.1. Simple radial equilibrium ............................................................................................................................................. 67

4.1.1. Legge del vortice libero ............................................................................................................................. 70

4.1.2. Forced vortex (solid body) ........................................................................................................................ 71

4.1.3. First power stage design ........................................................................................................................... 71

4.2. Streamline Curvature Method ..................................................................................................................................... 72

3

4.3. Mixing in multistage axial flow compressor ................................................................................................................. 74

4.4. Axial compressor off-design trends .............................................................................................................................. 75

5. Compressori Centrifughi ............................................................................................................................................77

5.1. Impeller ........................................................................................................................................................................ 77

5.1.1. Scambi energetici ...................................................................................................................................... 79

5.1.2. Tridimensionalità del flusso nell’impeller ................................................................................................. 81

5.1.3. Flussi secondari ......................................................................................................................................... 83

5.1.4. Boundary Layer Stability ........................................................................................................................... 85

5.1.5. Stima del carico palare .............................................................................................................................. 86

5.1.6. Slip factor .................................................................................................................................................. 88

5.1.7. Perdite nell’impeller ................................................................................................................................. 90

5.1.8. Scelte progettuali per l’impeller ............................................................................................................... 92

5.1.9. Splitter blades e Backsweep ..................................................................................................................... 93

5.2. Diffuser ......................................................................................................................................................................... 94

5.2.1. Parametri prestazionali dei diffusori......................................................................................................... 96

5.2.2. Legge semplice per la diffusione ............................................................................................................... 98

5.2.3. Perdite nel diffusore ................................................................................................................................. 99

5.2.4. Diffusori lisci ............................................................................................................................................ 101

5.2.5. Diffusori palettati .................................................................................................................................... 102

5.2.6. Stima delle prestazioni del diffusore ...................................................................................................... 104

5.2.7. Forma delle pale nel diffusore palettato ................................................................................................ 105

5.3. Volute ......................................................................................................................................................................... 106

5.3.1. Progettazione .......................................................................................................................................... 107

6. Pompe centrifughe .................................................................................................................................................. 110

6.1. Parametri principali delle pompe ............................................................................................................................... 111

6.2. Similitudine nelle pompe, numero di giri specifico .................................................................................................... 111

6.3. Il fenomeno della cavitazione nelle pompe: NPSH .................................................................................................... 114

6.4. Pompe in serie e pompe in parallelo ......................................................................................................................... 116

6.5. Progetto della girante ................................................................................................................................................. 117

6.6. Diffusore ..................................................................................................................................................................... 120

6.7. Volute ......................................................................................................................................................................... 120

6.7.1. Determinazione area di passaggio .......................................................................................................... 121

6.8. Previsione delle performance .................................................................................................................................... 124

6.9. Cavitazione ................................................................................................................................................................. 126

6.9.1. Danneggiamento e rumore ..................................................................................................................... 128

6.9.2. Prove acustiche e curve caratteristiche .................................................................................................. 128

6.9.3. Effetti termici .......................................................................................................................................... 129

6.9.4. Cavitazione NCG (gas non condensati) ................................................................................................... 130

6.10. Inducer………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………….130

4

7. Turbine Assiali ......................................................................................................................................................... 131

7.1. Triangoli di velocità .................................................................................................................................................... 131

7.2. Scambi energetici in uno stadio di turbina ................................................................................................................. 132

7.3. Coefficienti di perdita ................................................................................................................................................. 134

7.4. Parametri dello stadio ................................................................................................................................................ 134

7.5. Grado di reazione ....................................................................................................................................................... 135

7.6. Profili palari e terminologia ........................................................................................................................................ 137

7.6.1. Apertura di gola ...................................................................................................................................... 138

7.6.2. Unguided turning e l’effetto di stagger................................................................................................... 139

7.6.3. Sections stacking ..................................................................................................................................... 139

7.7. Sorgenti di perdita ...................................................................................................................................................... 140

7.7.1. Perdite di profilo ..................................................................................................................................... 142

7.7.2. Criterio di Zweifel .................................................................................................................................... 146

7.7.3. Perdite al trailing edge ............................................................................................................................ 147

7.7.4. Perdite per incidenza .............................................................................................................................. 149

7.8. Stadi transonici di turbina .......................................................................................................................................... 151

7.8.1. Flusso transonico in schiere di turbina ................................................................................................... 151

7.9. Flusso sul piano meridiano ........................................................................................................................................ 162

7.10. Equilibrio radiale…………………………………………………………………………………………………………………………………………………163

7.10.1. Free vortex design – a vortice libero .................................................................................................. 164

7.10.2. Controlled vortex design-distribuzione a vortice controllato ............................................................ 165

7.11. Flussi secondari…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..166

7.11.1. Passage Vortex – vortice di passaggio ................................................................................................ 167

7.11.2. Horseshoe vortex – vortice a ferro di cavallo .................................................................................... 167

7.11.3. Corner vortex - vortice d’angolo ...............................................................