Design guidelines for axial turbines operating with non-ideal compressible flows

The major recent development in the field of power generation technology consists in the selection of the working fluid as additional degree of freedom for the optimization of the energy conversion efficiency, e.g. ORC, s-CO2 Brayton cycle. In turn, these innovative solutions imply the design of turbomachines operating with complex molecules that exhibit non-ideal fluid-dynamic behavior. Preliminary design methods based on similarity theory, e.g. the Smith’s chart, are a powerful and well-established tool to provide estimate of the size, the shape of the velocity triangles and the performance of gas turbine stages. However, such criteria are arguably not suitable to predict the performance trends of unconventional turbines. Indeed, NICFD effects can significantly alter the amount of dissipation induced by the various loss mechanisms, eventually leading to shifts of the optimal design region. Due to the lack of universal guidelines, currently the design of non-conventional turbines is massively driven by CFD, which, being machine-specific, cannot be used to draw generic theoretical conclusions. On the other hand, the existing studies about design guidelines using mean-line methods rely on semi-empirical loss correlations derived from experimental data of gas turbines. This work aims to bridge this gap by proposing a mean-line design procedure based on scaling analysis and coupled to a physics-based loss model extended to arbitrary fluid thermo-physical models. The novel preliminary design tool has been systematically applied to perform three parametric studies regarding the performance trends of axial turbines operating: i) with fluids of increasing molecular complexity, ii) at variable expansion ratio, iii) in an arbitrary thermodynamic region. An open-source turbomachinery CFD software has been extended to simulate real gas flows and 3D RANS calculations have been performed to verify the predicted trends.

La principale innovazione introdotta negli ultimi anni nel settore della generazione di potenza consiste nella selezione del fluido di lavoro come grado di libertà aggiuntivo per l'ottimizzazione del ciclo termodinamico utilizzato per la conversione energetica. I cicli Rankine operanti con fluidi organici (ORC) e i cicli Brayton operanti con CO2 supercritica (s-CO2) rappresentano due esempi applicativi di tale concetto. Per realizzare queste soluzioni innovative, é necessario progettare delle turbomacchine capaci di processare fluidi a molecola complessa, che presentano un comportamento fluidodinamico non ideale. I metodi di progettazione concettuale basati sulla teoria della similitudine, come il diagramma di Smith, rappresentano uno strumento potente e consolidato per fornire una stima preliminare delle dimensioni, della forma dei triangoli di velocità e dell'efficienza di una turbina a gas. D'altro canto, tali criteri progettuali sembrano essere inadeguati a predire con sufficiente accuratezza l'andamento delle performance di turbine non convenzionali. Questa mancanza può essere ricondotta agli effetti NICFD, che possono alterare significativamente l'impatto di ciascuna sorgente di perdita ed eventualmente spostare la regione di massima efficienza. A causa dell'assenza di linee guida universali, attualmente la progettazione di turbomacchine non convenzionali é principalmente guidata da calcoli CFD, il cui risultato dipende fortemente dal layout di ciascuna macchina. Per questo motivo, le informazioni derivanti da tali simulazioni non possiedono un livello di astrazione sufficiente a trarre conclusioni di carattere universale. D'altra parte, attualmente in letteratura scientifica tutti gli studi riguardanti la derivazione di linee guida universali attraverso metodi mean-line si basano sull'utilizzo di correlazioni di perdita ricavate in modo semi-empirico. L'obiettivo di questo lavoro é di colmare tale divario proponendo un algoritmo mean-line basato sull'analisi di similitudine, accoppiato ad un modello di perdita ricavato da considerazioni fisiche ed integrato con modelli termo-fisici validi per fluidi di natura arbitraria. L'innovativo strumento di progettazione preliminare così ricavato é stato utilizzato in maniera sistematica per realizzare tre studi parametrici atti a determinare l'andamento delle performance di turbine assiali operanti: i) con fluidi a crescente complessità molecolare, ii) con un rapporto di espansione variabile, iii) in una regione termodinamica arbitraria. Infine, un software CFD open-source é stato esteso per simulare flussi non ideali ed utilizzato per realizzare calcoli 3D RANS al fine di validare i risultati ottenuti in precedenza.