Numerical and experimental study on the effects of internal leakages on the performances of sliding-vane compressors and expanders

This thesis work presents a numerical and experimental study on the effects of internal leakages on the performances of sliding-vane compressors and expanders, in collaboration with Ing. Enea Mattei S.p.A.. A new thermodynamic model able to predict lubricant oil and working fluid leakages via the main clearance gaps (rotor-stator, rotor-end-plates and vane-end-plates) has been developed, in order to expand the pre-existing simulation design tool SVEC designed by Mattei R&D department on Matlab®, enabling a more accurate prediction of the volumetric efficiency and providing also the possibility to simulate real multi or single-phase, multi or single-component mixtures. A series of leakage models has been selected and integrated in the code in order to predict internal leakage dynamics, in addition to a new two-phase bulk properties model. The code has been then validated by comparing numerical predictions with experimental flow rate results of Mattei compressors and ORC expanders. Applying a multi-criterion procedure, the combination of Badr leakage model with Dukler bulk property model for the plate-ends leakage, with Poiseuille-Couette leakage model and Awad bulk property model for vane-side leakage, provides the best fit to compressors experimental results, with a root mean square error lower than 6.17%; for ORC expander, the best combination results to be Badr, for rotor-end-plates leakage, with Yuan, for vane side leakage, moreover the real gas model always provides better predictions than the ideal one, with a root mean square error of 5.70%, against 12.18% for the ideal model. Furthermore, a model accounting for transition of state has been implemented in SVEC tool in order to simulate the process occurring for the steam expander; flow rate predictions account in this case only for the minimum radial clearance and results in a root mean square error of 15.84%. An application of SVEC new release is also presented, showing how the axial clearance optimization in compressors could lead to a volumetric efficiency increasing of around 1.80% and to a specific energy consumption reduction of around 0.11 [kW/(m3/min)], proving its high potentiality in supporting the design, offering a solution characterized by good accuracy, low-cost and time saving. Eventually, the dynamic model implemented in SVEC has been extended integrating an absolute reference system for forces calculation, in addition to the introduction of the rotor-stator assembly stress analysis and the bushing mechanical performance evaluation.

Il presente elaborato propone uno studio numerico e sperimentale sugli effetti dei trafilamenti interni sulle prestazioni di compressori ed espansori a palette, in collaborazione con Ing. Enea Mattei S.p.A.. È stato sviluppato un nuovo modello termodinamico in grado di predire i trafilamenti di olio lubrificante e fluido di lavoro attraverso i principali giochi meccanici (rotore-statore, rotore-coperchi e paletta-coperchi), espandendo il preesistente tool di simulazione numerica SVEC (Sliding Vane Efficiency Compressor) sviluppato in Matlab® dal reparto R&D della Mattei, permettendo una stima più accurata dell’efficienza volumetrica e fornendo inoltre, la possibilità di simulare miscele reali multi o mono-fase e multi o mono-componente. Sono stati selezionati e implementati diversi modelli di trafilamento e un nuovo modello di calcolo per proprietà di miscela bifase. Il codice è stato validato comparando i risultati numerici e sperimentali su compressori ed espansori Mattei. Sfruttando una procedura di selezione multi-criterio, la combinazione migliore per i compressori risulta essere: modello di trafilamento di Badr con modello di Dukler per proprietà bifase, per trafilamento rotore-coperchi, e modello di trafilamento di Poiseuille-Couette con modello di Awad per proprietà bifase, per trafilamento paletta-coperchi, che mostra errori quadratici medi minori del 6.17%; per l’espansore ORC, la combinazione migliore risulta essere Badr e Yuan rispettivamente per i trafilamenti rotore-coperchi e palette-coperchi, inoltre il modello di gas reale garantisce stime più accurate di quello ideale, con un errore quadratico medio del 5.70%, contro il 12.18% del caso ideale. Inoltre, è stato implementato nello SVEC un nuovo modello in grado di prevedere la transizione di fase, così da simulare il processo che avviene nell’espansore a vapore; la portata massica stimata considera in questo caso solo il trafilamento rotore-statore e risulta in un errore quadratico medio del 15.84%. Viene quindi presentata un’applicazione del nuovo SVEC, mostrando come l’ottimizzazione dei giochi assiali nei compressori può determinare un incremento dell’efficienza volumetrica di circa 1.80% e una riduzione dell’energia specifica richiesta di circa 0.11 [kW/(m3/min)], evidenziando il suo potenziale nel supporto della progettazione e offrendo una soluzione caratterizzata da buona accuratezza, basso costo e velocità. Infine, il modello dinamico implementato nello SVEC è stato esteso, integrando un sistema di riferimento assoluto per il calcolo delle forze, in aggiunta all’introduzione dell’analisi degli sforzi sul rotore e la valutazione delle prestazioni meccaniche delle bronzine.