Sviluppo e validazione di un modello bidimensionale di paletta per un codice di calcolo di compressori a palette

The thesis goal is to enhance a simulator code for sliding-vane rotary compressors. The work is divided into an analytical, numerical and experimental study. The first step consists of the development of an analytical model for a bi-dimensional vane that leads to a radical new version of the model that simulates the compressor behavior, in particular in the sections related to the geometry, the kinematics, the dynamics and stress analysis of the vane. The step forward is a finite element analysis of a small size compressor vane, the same machine after investigated during the experimental campaign. A high safety coefficient is found (21), therefore a thinner vane could be suggested. Then an experimental campaign is conducted with cast iron vanes (Configuration 1) and vanes made by a composite material (Configura-tion 2). The result is that the traditional material, that is cast iron, offers the better performances. After that a numerical comparison is done between the experimental data and the new code simulations results: the pressure increase during compression phase is predicted with a mean error of 1.9% instead of an error of 2.2% calculated with the previous code version, and an error of 15% is obtained on the specific energy prediction instead of an error of 25% calculated using the old code. Finally a parametric analysis on the vane geometry has been carried out: a reduced fatigue safety coefficient of 4 and a reduce traction coefficient of 12 have been found adopting a vane thickness of 3 mm instead of the design one of 3.96 mm. A performances enhancement is also reached with a specific energy reduction of 2.4%.

Il presente lavoro di tesi si pone come obiettivo il miglioramento di un codice di calcolo che simula il funzionamento dei compressori volumetrici a palette. Il lavoro si divide in uno studio analitico, numerico e sperimentale. Il primo passo consiste nello sviluppo analitico di un modello bidimensionale di paletta che comporta una sostanziale modifica al modello generale che simula il comportamento della macchina, in particolare nelle sezioni riguardanti la geometria, la cinematica, la dinamica e l’analisi tensionale della paletta. Il passo successivo consiste nell’effettuare un’analisi dello stato di sforzo della paletta tramite il metodo degli elementi finiti, la macchina scelta per effettuare tale analisi è un compressore di piccola taglia avente cave inclinate, lo stesso che è stato utilizzato in seguito nella campagna sperimentale. L’elevato coefficiente di sicurezza statico che si ricava, pari a 21, indica la possibilità di ridurre lo spessore della paletta. Quindi viene realizzata la campagna sperimentale prevedendo il montaggio di palette in ghisa, nella Configurazione 1, e palette in materiale composito, nella Configurazione 2. Dal confronto si conclude che le palette in materiale tradizionale, ovvero la ghisa, offrono le migliori prestazioni. Viene quindi effettuato un confronto con le simulazioni numeriche del nuovo codice di calcolo: l’andamento della pressione in fase di compressione viene simulato con un errore medio dell’1.9%, a fronte di uno del 2.2% calcolato con la versione precedente del codice, mentre si ottiene un errore del 15% sull’energia specifica, a fronte di uno del 25% ricavato con la versione precedente. Infine attraverso un’analisi parametrica è proposta una geometria alternativa della paletta per la macchina analizzata: riducendo lo spessore da 3.96 mm a 3 mm il coefficiente di sicurezza a trazione è ridotto a 12 mentre quello a fatica è ridotto a 4. Con tale modifica si ottiene inoltre un miglioramento delle prestazioni del compressore, quantificabile in una riduzione dell’energia specifica del 2.4%.