Turbomacchine - parte 2

Tipologie di cavitazione nelle turbomacchine

Altra tipologia di cavitazione è quella legata alla formazione di vortici locali, innescati dalla presenza della forza centrifuga. All'interno del vortice stesso, che si manifesta in prossimità degli angoli all'hub ed allo shroud, la pressione al centro scende fino a valori che possono raggiungere la tensione di vapore e pertanto fino a provocare la formazione di bolle di vapore. Il danneggiamento in questo caso interessa naturalmente gli angoli.

Un ultimo meccanismo di cavitazione si può avere nell'impeller di tipo unshrouded al tip della palettatura a causa della presenza della tip clearance. In queste condizioni il flusso tende a trafilare attraverso questo gioco dalla PS verso la SS con un abbassamento della pressione all'interno del tip che porta alla formazione di un vortice al cui interno si possono formare delle bolle di vapore, legate alla bassa pressione che si realizza.

In questo caso il meccanismo di cavitazione può provocare un'erosione della pala dal lato della SS, come si vede nella figura precedente;

Il fattore che presenta una maggiore influenza sull'NPSH richiesto dalla pompa è legato ai triangoli di velocità in ingresso alla girante. Il fatto che l'NPSH risulti particolarmente basso alle condizioni di cavitazione incipiente è legato proprio al fenomeno di incidenza locale. Tuttavia un basso valore dell'NPSH di incipiente cavitazione non necessariamente vuole dire che si abbia anche un basso valore di NPSH al 3%. Quest'ultimo in particolare, come abbiamo visto ha un andamento sempre crescente in funzione della portata. Se andiamo a considerare un valore della portata inferiore a quella di design a parità di velocità di rotazione il triangolo di velocità in ingresso è similare a quello riportato nella figura a e l'incidenza risulta positiva. Questo comporta uno

spostamento del punto di ristagno sullato PS e pertanto, il flusso che si dovrà muovere sulla SS subirà una forte accelerazione in modo da superare il bordo d’attacco. La forte accelerazione del flusso sulla SS provoca una riduzione della pressione che in alcuni casi può scendere al di sotto della tensione di vapore e portare all’insorgere del fenomeno della cavitazione.

Quando invece a parità di velocità di rotazione la portata aumenta rispetto al valore della portata di design il punto di incidenza si sposta sul lato SS e pertanto si hanno incidenze negative che provocano una forte accelerazione del flusso lato PS, come si vede nella figura b.

Anche in questo caso le accelerazioni possono provocare una riduzione della pressione locale che può scendere al di sotto della tensione di vapore ed instaurare il fenomeno della cavitazione. In questo caso l’effetto della cavitazione sulle prestazioni della macchina è nettamente più

forteperché la presenza del vapore provoca un ulteriore riduzione della sezione di gola che provoca una caduta delle prestazioni e va ad aumentare il valore dell'NPSH al 3%. Le soluzioni progettuali cui possiamo far riferimento al fine di evitare questa condizione prevedono di progettare la pompa in modo da garantire delle incidenza positive in condizioni di design (si parla di incidenze di 2°/3°) ed in questo modo l'NPSH che abbiamo chiamato come Best Cavitation Point si troverà a portate più elevate e pertanto la pompa lavorerà con un margine di portata e di incidenza che consentono di evitare la cavità sul lato SS. La valutazione dell'incidenza ottimale prevede di considerare anche la portata di ricircolo.

Inducer: Un componente caratteristico delle pompe è il cosiddetto Inducer, che però differisce dall'Inducer introdotto nello studio

Dell'impeller di un compressore centrifugo, poiché si parla di un componente che nelle pompe risulta separato dall'impeller, anche se calettato sullo stesso albero. Lo scopo di questo componente nelle pompe è quello di fornire al flusso una prerotazione in ingresso ed un aumento di pressione statica che serve a ridurre la possibilità di cavitazione dell'impeller stesso. Questo componente ha generalmente uno sviluppo assiale ed è paragonabile ad una vite, in termini di sviluppo della geometria e presenta un numero di pale che va da 2 a 5. L'NPSH che viene richiesto da questo componente è molto basso e pertanto generalmente anche se si verifica la cavitazione questa non ha conseguenze troppo drastiche per quanto riguarda l'integrità strutturale dell'Inducer. Si parla di un componente molto costoso che difatti non viene montato su pompe industriali, che devono risultare compatte e devono pesare poco, ma è presente su pompe speciali.

Come per esempio le turbopompe criogeniche per razzi a propellente liquido. Pag. 203 Nencioni Leandro a.a. 2019/2020 - Corso di Turbomacchine

Aeromeccanica nelle turbomacchine: Introduzione:

Lo studio dell'aeromeccanica nasce a metà del secolo scorso nell'ambito dell'ingegneria civile, ma ben presto diviene molto importante nell'ambito della progettazione delle turbine a gas per applicazioni di propulsione aeronautica. L'aeromeccanica studia l'interazione di corpi elastici, come le palettature, con fluidi ad alta energia.

Questa interazione può infatti generare delle vibrazioni che possono portare alla rottura di una pala per fatica ad alto numero di giri. La rottura della pala di turbomacchina all'interno di un fan è generalmente critica perché manda fuori uso l'intera macchina e di conseguenza le normative relative all'omologazione delle turbine aeronautiche introducono dei massimi valori di sforzo dinamico.

A gas, sia per la produzione elettrica, che principalmente per la propulsione aeronautica (Turbofan);

Turbine a vapore, specialmente negli ultimi stadi di bassa pressione dove le pale sono molto lunghe e snelle (fino ad 1,5 m);

Se facciamo riferimento alla sezione di un Turbofan, come quella rappresentata a fianco, possiamo osservare che i vari corpi della macchina, come il compressore di alta e bassa pressione, il fan frontale e le turbine di alta e bassa pressione sono collegati mediante una serie di alberi concentrici che consentono di garantire il giusto matching delle velocità di rotazione.

L'aspetto che però ci interessa maggiormente è quello relativo alle palettature che con il continuo sviluppo delle macchine stanno diventando sempre più leggere e snelle, in maniera tale che il peso che viene risparmiato nel motore possa essere utilizzato come payload per incrementare il numero di.

passeggeri o la quantità di merce che può essere trasportata dall'aeromobile. Ovviamente una riduzione di peso del motore comporta anche una riduzione delle emissioni inquinanti per singolo passeggero, proprio perché si ha la possibilità di garantire il trasporto di un numero di passeggeri nettamente superiore.

Le pale che generalmente presentano le problematiche maggiori sono quelle caratterizzate da un Aspect Ratio particolarmente elevato, queste infatti sono le palettature più snelle e di conseguenza avranno delle frequenze proprie più basse.

I componenti che pertanto presentano palettature con AR particolarmente elevati e che pertanto soffrono maggiormente di problemi di aeromeccanica, sono il fan frontale, la turbina di bassa pressione, il compressore di bassa pressione e in un settore completamente differente le turbine a vapore.

Aeroelasticity - Main Phenomena:

I principali meccanismi che innescano i problemi di aeromeccanica sono

particolare viene innescato con una vibrazione iniziale generata a causa dell'instazionarietà presente nella turbomacchina che a sua volta provoca una variazione del carico palare capace di autoalimentare la vibrazione. Quando nasce il fenomeno del Flutter possiamo fondamentalmente trovarci davanti ad una vibrazione che cresce in maniera indefinita portando alla rottura anche per interferenza della pala con gli endwall, oppure nel caso in cui si abbia a che fare con un equilibrio termodinamico tra l'energia estratta dal flusso e quella dissipata dal sistema si instaura un cosiddetto ciclo limite. La progettazione aeromeccanica delle turbomacchine ha da sempre dovuto fare i conti con questi due fenomeni vibratori ed in particolare il primo strumento utilizzato per andare a studiare queste problematiche è il cosiddetto Diagramma di Campbell, sotto riportato.

pag. 205

Nencioni Leandro a.a. 2019/2020 - C