Appunti Fondamenti di macchine

5.7 AVVIAMENTO DEI COMPRESSORI ASSIALI MULTISTADIO

(1,3 ÷ 1,35),

Il rapporto di compressione di uno stadio assiale è piccolo ma in genere si vogliono rapporti

superiori e per aumentare il rapporto nel suddetto compressore è necessario avere più stadi.

si ha un problema molto forte all’avviamento, ossia quando il compressore è

Per un compressore multistadio

già stato avviato meccanicamente quindi si trova già alla velocità di rotazione prevista, ma il fluido non si è

L’aria non fluisce nel compressore alla velocità di progetto, quindi ci sarà all’avviamento un

ancora stabilito.

transitorio, in cui la portata passa dal valore nullo al valore di progetto.

Si parla quindi di avviamento fluidodinamico quando si verificano le seguenti:

̇ < ̇ =

In condizioni di questo tipo tutti gli stadi del compressore funzionano male, ovvero lavorano ma non

comprimono, si hanno grandi dissipazioni, oppure non lavorano proprio.

Si può ipotizzare che a progetto tutti gli stadi hanno gli stessi triangoli di

velocità, ma il discorso è analogo se i triangoli fossero diversi. Il punto è che

gli stadi iniziali si comportano in modo diverso dagli stadi finali.

Lo studio viene effettuato a raggio medio sul triangolo delle velocità in

figura. La portata reale e quella di progetto sono definite come segue:

̇ =

̇ =

,

Nei primi stadi la densità è uguale a quella ambiente che è la stessa a quella di progetto, quindi si ha:

̇ < ̇

{

= =

In base a queste considerazioni si ha:

′ <

,

Il triangolo di velocità dei primi stadi in avviamento è mostrato in figura.

′

Dal triangolo si trova quindi la nuova e si scopre che essa è molto più

1

inclinata rispetto a quella di progetto, ciò provoca sul profilo della paletta

un’incidenza molto elevata che genera su di essa uno stallo sul dorso (stallo

positivo). 42

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Negli ultimi stadi, invece, la densità è sempre quella ambiente in quanto il compressore ancora non ha

cominciato a funzionare, quindi: ̇ < ̇

1

{

= ≪ =

A causa del mancato aumento di densità si ha:

′′ >

,

Dal triangolo di velocità, in questo caso, si nota che l’incidenza della ′′ è

1

molto più bassa e ciò comporta sul profilo della paletta uno stallo sul ventre

(stallo negativo).

Gli stadi intermedi, invece, funzionano bene in quanto la componente assiale è circa uguale a quella di

progetto.

Per limitare l’impatto di questo problema bisogna definire delle opportune soluzioni che si riducono

essenzialmente a tre metodi, i quali molto spesso vengono utilizzati contemporaneamente. Tali metodi sono:

L’uso

- di pale a calettamento variabile, ossia la possibilità di ruotare le palette lungo al loro asse

generando degli angoli variabili adattando il flusso a quello che si vuole ottenere. In particolare si

rinuncia a far ruotare le pale rotoriche, ma si fanno girare quelle statoriche, modificando . Nei

1

primi stadi le palette sono girate verso destra, negli ultimi verso sinistra.

Tale soluzione, soprattutto per ragioni di peso, non viene utilizzata.

- La seconda soluzione migliora soprattutto gli ultimi stadi e

non i primi ed essa consiste nel ridurre la elevata

semplicemente riducendo la portata. Tale metodo è utilizzato nella

maggior parte dei casi quando il flusso raggiunge valori sonici e la

portata raggiunge il valore limite.

Il metodo consiste nel posizionare a metà del compressore una

Metodo dello spillamento l’uscita di una parte della portata. In questo

valvola che permette

modo anche se la portata è minore di quella di progetto, la velocità assiale è diminuita rispetto al

caso senza lo spillamento. Quando poi gli ultimi stadi cominciano a lavorare bene la valvola viene

richiusa.

Il metodo appena descritto è detto metodo dello spillamento.

Il terzo metodo consiste nell’uso di un

- compressore

multialbero. Invece di avere tutti gli stadi montati sullo stesso

albero, essi vengono separati in due o più alberi.

Esso è costituito da due alberi concentrici, nel caso di due alberi,

in cui quello più interno è detto albero di bassa pressione, quello

più esterno è detto di alta pressione.

In un turbogetto l’albero è messo in rotazione dalla turbina in

quanto la potenza fornita dalla turbina è pari a quella richiesta dal

compressore, dunque l’albero è in equilibrio.

Considerando la velocità tangenziale di progetto uguale per l’alta e

Schema compressore multialbero per la bassa pressione, all’avviamento ciò non vale.

Negli stadi di bassa pressione le palette sono andate in stallo sul

dorso quindi durante il suo moto, essa subisce una forza resistente molto grade dalla corrente alla

′

velocità ; ciò implica che la coppia frenante agente sul compressore è maggiore di quello di

1

progetto: > =

,

Quindi il compressore rallenta e la velocità tangenziale diminuisce. All’avviamento l’albero di bassa

pressione tende a girare più piano. 43

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Rallentando, il triangolo delle velocità viene modificato e, in particolare, l’accorciarsi

della

provoca uno spostamento della si sposta verso destra.

1

Negli ultimi stadi, quindi negli stadi di alta pressione, la situazione è opposta in quanto il momento

frenante è minore di quello di progetto: <

,

Questo provoca un aumento della velocità di rotazione e conseguentemente della velocità

tangenziale. Nel triangolo della velocità se la cresce, la ruota verso sinistra.

1

5.8 COMPRESSORE TRANSONICO

Per compressore transonico si intende un compressore in cui almeno una parte del flusso, in genere quello a

contatto con la punta della paletta, ha velocità supersonica. In un compressore transonico, quindi, la alla

1

punta della paletta è supersonica.

Nei requisiti indicati in precedenza, però, si è sottolineato che il flusso non deve superare un certo numero di

Mach limite in quanto provoca urti, perdite, possibilità di stallo ecc…Nel compressore transonico tali

limitazioni stanno proprio alla base del suo funzionamento, in quanto si possono avere urti retti a patto che

essi si trovino in una determinata posizione e abbiano determinate caratteristiche che si possono prevedere

dalla progettazione di determinate palette. In questo modo esso funziona correttamente senza stallo delle

palette e senza altri pericoli.

Per far questo è necessario avere un flusso pulito, ossia privo di vorticità e scie, e un flusso che rispecchia

queste caratteristiche si trova tipicamente nel primo stadio. Il flusso che arriva dalla presa d’aria è molto

uniforme, in cui tutte le particelle arrivano alla stessa velocità e sono correttamente allineate. Diversamente

gli stadi successivi al primo trovano il flusso disturbato dalla scia delle palette degli stadi anteriori.

(la grande ventola che si trova all’ingresso del compressore), è quello

Il primo stadio, detto fan utilizzato

come compressore transonico, esso ha il grande vantaggio di raggiungere rapporti di compressione molto

elevati rispetto a quelli degli stadi successivi. L’urto che si prevede non deve avere impatto negativo sulle

palette del compressore e non deve provocare dissipazioni elevare di energia.

Essendo l’urto un brusco aumento di pressione e dato che un elevato coefficiente di

pressione facilita la formazione dello stallo, in questo caso è molto facile che si

verifichi una situazione di questo tipo, quindi è molto importante prevedere la

posizione degli urti.

Lo stadio è costituito da palette praticamente dritte, poco curve, in genere si ha un

bordo di attacco appuntito e la compressione di solito avviene mediante una o due

onde d’urto. Per non avere delle elevate dissipazioni è importante che le onde d’urto,

che si formano sul ventre della paletta di solito, interagiscono con le onde di

espansione che il fluido genera sulla paletta successiva. nella parte superiore in modo da creare un’onda di

Le palette possono essere costituite anche da uno spigolo

espansione più grande che colma l’urto della precedente. 44

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6. COMPRESSORE CENTRIFUGO Il compressore centrifugo è costituito da due

parti: una parte rotante detta rotore o girante ed

una parte fissa detta statore o diffusore. Della

girante si distinguono due parti: l’ingresso, detto

inducer, e la parte adibita alla compressione,

detta impeller. Il diffusore può essere formato da

una zona palettata, che può essere o meno

presente, e da una chioccia dove il fluido viene

raccolto e portato verso l’uscita.

L’aria entra nell’inducer ad una certa velocità assiale, percorre il condotto tra il fondo della girante e

l’involucro esterno e tra due palette ed infine esce ad una velocità radiale. In un compressore centrifugo il

fluido entra a velocità assiale ed esce a velocità radiale.

È importante sottolineare che l’altezza delle palette, tra ingresso ed uscita, va via

via riducendosi, questo fenomeno è dovuto al fatto che si vuole una velocità

relativa, rispetto alla girante, costante. Quindi se la velocità è costante e man

mano che il fluido attraversa la girante la densità aumenta, perché compresso,

l’area deve diminuire e ciò avviene mediante una riduzione dell’altezza delle palette.

6.1 INDUCER

È la parte d’ingresso del compressore centrifugo utilizzata per accogliere il flusso. Per funzionare bene il

quindi il bordo d’attacco della paletta deve essere

flusso in ingresso non deve avere incidenza molto elevata,

ben allineato con la direzione del flusso in entrata. Ricordando che:

̅ =

̅ + ̅

Si può definire il triangolo delle velocità per l’inducer, ma essendo le palette di

altezza variabile il flusso non