The design of the expander in an Organic Rankine Cycle (ORC) configuration plays a major for the cycle efficiency. The non-conventional centrifugal turbine is gaining interest in industrial and academical field thanks to its high efficiency compared to highly-loaded axial configuration, which features a low number of stages and highly supersonic flow. This work presents the results of the application of a shape-optimization technique to the re-design of the stator and rotor cascades of a centrifugal turbine for ORC power generation. Due to the complexity introduced by the non-ideal behavior of organic fluid and the lack of literature and experimental data for this class of machine, an automated high-fidelity optimization is required. This work performs the re-design of the rotor cascade through a global optimization method based on a evolutionary surrogate-based strategy which has been used along with a validated 3D Navier–Stokes flow solver. The optimization of the single rotor cascade reduces kinetic energy losses of about 30%. Moreover, the introduction of the optimal rotor on the stage has reported an increase of the overall efficiency of 2% with respect to the stage that features the baseline cascade designed according to an axial cascade, not suitable for the machine presented in this work. For the first time, by exploiting a time resolved analysis, it was possible to study the unsteady effects of the centrifugal stage. Results of simulations highlight the strong stator rotor interactions, which produce a complex combination of shock waves subjected to high time-dependent oscillations. It is possible to notice in the optimal stage configuration a clear mitigation of unsteady effects accounting for the decrease of oscillation of aerodynamic forcing of more than 20%.
La scelta e la progettazione della turbina per un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) ha un impatto notevole sul rendimento dell’intero impianto. Negli ultimi anni, grazie ai suoi rendimenti elevati rispetto alle tradizionali turbine assiali, caratteriz- zate da un basso numero di stadi e da flussi fortemente supersonici, l’introduzione di un’architettura centrifuga sta ricevendo molto interesse sia in campo industriale che accademico. Il seguente lavoro di tesi si occupa dell’ottimizzazione di forma dei profili di statore e rotore di uno stadio di turbina centrifuga per un impianto ORC. A causa della complessità introdotta dall’utilizzo di un fluido organico, ma soprattutto della mancanza di dati sperimentali o letteratura riguardante questa classe di macchine poco convenzionali, è necessario l’utilizzo di un valido strumento di ottimizzazione. La tecnica utilizzata in questo lavoro combina un metodo di ottimizzazione globale basato sulla costruzione di un modello surrogato Kriging con un modello CFD validato. L’ottimizzazione della singola schiera rotorica ha presentato una diminuzione delle perdite di energia cinetica di quasi il 30%. Inoltre, l’introduzione della schiera ottimizzata nello stadio ha mostrato un aumento del rendimento del 2% rispetto ad una palettatura baseline derivata da un’applicazione di turbina assiale, e dunque non concepita per il tipo di macchina qui considerata. Attraverso un calcolo non stazionario è stato possibile andare a studiare per la prima volta i fenomeni non stazionari dello stadio di una turbina centrifuga, sot- tolineando le forti interazioni tra la schiera statorica e rotorica, responsabili per esempio della formazione di complesse combinazioni di onde d’urto soggette a forti oscillazioni temporali. Per finire, è possibile notare nello stadio ottimizzato una chiara diminuzione dei fenomeni non stazionari, un attenuamento delle onde d’urto nelle schiere con una conseguente diminuzione di oltre il 20% delle fluttuazioni del carico palare sulla schiera rotorica.
Shape-optimization of a transonic centrifugal turbine for organic Rankine cycle applications
PIVETTA, VALENTINA
2016/2017
Abstract
The design of the expander in an Organic Rankine Cycle (ORC) configuration plays a major for the cycle efficiency. The non-conventional centrifugal turbine is gaining interest in industrial and academical field thanks to its high efficiency compared to highly-loaded axial configuration, which features a low number of stages and highly supersonic flow. This work presents the results of the application of a shape-optimization technique to the re-design of the stator and rotor cascades of a centrifugal turbine for ORC power generation. Due to the complexity introduced by the non-ideal behavior of organic fluid and the lack of literature and experimental data for this class of machine, an automated high-fidelity optimization is required. This work performs the re-design of the rotor cascade through a global optimization method based on a evolutionary surrogate-based strategy which has been used along with a validated 3D Navier–Stokes flow solver. The optimization of the single rotor cascade reduces kinetic energy losses of about 30%. Moreover, the introduction of the optimal rotor on the stage has reported an increase of the overall efficiency of 2% with respect to the stage that features the baseline cascade designed according to an axial cascade, not suitable for the machine presented in this work. For the first time, by exploiting a time resolved analysis, it was possible to study the unsteady effects of the centrifugal stage. Results of simulations highlight the strong stator rotor interactions, which produce a complex combination of shock waves subjected to high time-dependent oscillations. It is possible to notice in the optimal stage configuration a clear mitigation of unsteady effects accounting for the decrease of oscillation of aerodynamic forcing of more than 20%.File | Dimensione | Formato | |
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