Progettazione ed ottimizzazione fluidodinamica di una micro-turbina assiale monostadio

A micro-turbine is an innovative tool created to exploit already compressed gas, in order to supply off-grid systems which require small electric power. Because of the small size, its typical efficiency cannot reach the performance level of the larger turbines; however, a careful design of the geometry of the blade profile is the first step to attempt a loss minimization. The purpose of this thesis is to design and optimize the geometry of a micro-single stage axial turbine working with air. The optimization was carried out in a systematic and automated way, with different objective functions and through the combination of four main blocks: a geometric parameterization code, a high-fidelity CFD solver, a library of evolution algorithms and an interpolation of the so-called meta-model. Most of the work has been focused on the realization of the stator, and the results showed better performances for a front-loaded type of profile (FLP) rather than a aft-loaded one (ALP). The optimizations which have been carried out starting from Baseline FLP have not resulted in significantly improved performance. This shows in a rigorous and systematic way the maximum limit of the blade profile. The corresponding rotor is designed with a symmetrical profile in order to achieve an action stage. Simulating the same geometry with natural gas and with air leads to a degree of reaction equal to zero but different efficiency. In particular, the lower molecular mass of the natural gas yields a very high speed and therefore higher losses, but also a higher extracted power despite smaller mass flow. Obviously, using fluids with different physical and thermodynamic properties may lead to substantially different results. Once the model is developed through experimental tests, it is possible to define the real performance of the machine and any difference that may arise with the use of both working fluids, as it has been proved with computational fluid dynamic simulations.

La micro-turbina è uno strumento innovativo che nasce dall'idea di sfruttare gas già compresso per alimentare sistemi off-grid che richiedono piccole potenze elettriche. A causa delle piccole dimensioni, i rendimenti che la caratterizzano non raggiungono i livelli prestazionali delle turbine di grande taglia; tuttavia, progettare accuratamente la geometria dei profili delle pale è il primo passo per tentare di minimizzare le perdite, rendendo la tecnologia attrattiva a livello tecnico-economico. Lo scopo di questo lavoro di Tesi è stato proprio quello di progettare ed ottimizzare la geometria di una micro-turbina monostadio assiale con aria. L'ottimizzazione è stata effettuata in maniera sistematica ed automatizzata, con diverse funzioni obiettivo ed attraverso la combinazione di quattro blocchi principali: un codice di parametrizzazione geometrica, un high-fidelity CFD solver, una libreria di algoritmi di evoluzione ed uno strumento di interpolazione del cosiddetto meta-modello. Gran parte del lavoro è stato concentrato sulla realizzazione dello statore, i cui risultati hanno mostrato performance migliori in corrispondenza di un profilo di tipo front-loaded (FLP) piuttosto che aft-loaded (ALP). Le varie ottimizzazioni che sono state effettuate a partire dalla Baseline FLP non hanno prodotto profili con prestazioni significativamente migliorate; in questo modo è stato dimostrato, in maniera rigorosa e sistematica, il limite massimo delle prestazioni ottenibili con questo profilo di pala. Il rotore corrispondente è stato progettato con un profilo simmetrico per realizzare uno stadio ad azione. Simulando la stessa geometria con il gas naturale, oltre che con l'aria, è stato riscontrato per entrambi i gas un grado di reazione nullo ma rendimenti differenti. In particolare, la massa molecolare inferiore del gas naturale causa velocità molto elevate e di conseguenza perdite maggiori, ma anche una potenza estratta superiore nonostante la portata massica risulti minore. E' evidente quindi che il funzionamento della stessa macchina con fluidi di lavoro dalle proprietà fisiche e termodinamiche differenti porta a risultati significativamente diversi. Una volta realizzato il modello della macchina, attraverso le prove sperimentali, sarà possibile decretare con certezza le reali performance della macchina e quindi le eventuali differenze che possono sorgere con l'utilizzo dei due fluidi di lavoro, così come è stato dimostrato dalle simulazioni fluidodinamiche computazionali.